（通信与信息系统专业论文）obs路由协议的研究及应用.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 o b s 路由协议研究及应用 摘要 随着密集波分复用( d w d m ：d e n s ew 打e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术的成熟与 广泛应用，通信网络的传输容量已经能够满足各种业务的需求。光交换网络以其高速高带 宽的优势成为未来电信网络的主流，光突发交换( 0 b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c l l i n g ) 网正是 在这样的背景下应运而生的。0 b s 结合了光路交换和光分组交换的优点，避免了它们的缺 点，具有很好的发展前景。本文主要研究o b s 路由协议，分为以下4 部分： 1 、介绍了光突发交换技术的相关知识和现有的一些典型路由协议。 2 、根据光突发交换网络的特点，参考相关文献，对一种典型的o b s 路由协议帧格式 进行修改，用v e r i l o gh d l 语言编程实现了4 类帧结构，并且在q u a r l u si i 软件中，通 过模拟o b s 节点之间的通信，对这4 类帧的通信流程进行了仿真验证，对仿真结果进行分 析和讨论。 3 、以c y c l o n ei i 系列的f p g a 芯片e p 2 c 2 0 q 2 4 0 c 8 为基础，在硬件层面上实现了上述 4 类o b s 路由协议帧，仿真了o b s 节点之间的交互通信情况，用示波器观察结果，并且 对调试结果进行分析。 4 、对一项比较新的技术双向检测( b f d ：b i d i r e c t i o n a lf o n a r d i n gd e t e c t i o n ) 技 术进行了研究，该技术提供了一个通用的标准化的介质无关和协议无关的快速故障检测机 制，提供小于1 秒的检测时间，可以考虑用其替代现在常用的慢h e l l o 机制。 关键词：光突发交换，路由协议，f p g a ，b f d 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fo b sr o u t i n g p r o t o c o l s a b s t r a c t w 怂d w d m t e c l 轮l o g ym a t u r ea n d 谢d e l yu s e d ，c o m m u z l i c a t i o nn e 柳o r k 搬m s m i s s i o n c 印a c i t yh a sb e e na b l et om e e tav a r i e t yo fb u s i n e s sn e e d s o p t i c a ls w i t c h1 1 e 铆o r k 、i ub e c o m e t h em a i n s t r e 锄o ft e l e c o mn 湘r kb e c a u s eo fi t s1 1 i g hs p e e da n dk g hb a n d w i ( 1 t 1 1i nt h ef b t u r e o p t i c a lb u r s ts w i t c he m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r ei nm i sb a c k g r o u n d o b sc o m b i n e st h e a d v a 】【1 t a g e s o fo p t i c a lc i r c u i t s w i t c l l i n g a n do p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g a n da v o i dt l l e i r s h o r t c o 血n g s ，w h j c hh 2 u sv e r yg o o dp r o s p e c t sf o r l ed e v e l o p m e m t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e s o b s r o u t i n gp r o t o c o l s ，a n di tc a nb ed i v i d e di n t o4p a r r t s ： 1 、r h er e l e v a n tk n o w l e d g eo fo b sa n ds o m eo ft h ee x i s t i n gt y p i c a lr o u t i n gp r o t o c o l sa r e i m r o d u c e d 2 、a c c o r d i n gt ot 1 1 eo b sn e 觚o r kc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e 批rc o n s u l t ss o m e1 i t e r a _ t l 】r e sa n d 锄e n d sat y p i c a lo b sr o u t i n gp r o t o c o l 仔锄ef o m a t ，a i l dt h e nu s e sv e r i l o gh d ll a n g u a g et o p r o 伊锄4k i n d so ff 锄es t m c t u r e i na d d i t i o n ，b ys i m u l a t i n gt h ec o m m u n i c a t i o no ft v 旧o b s i l o d e s ，t l l ew o r k i n gf l o w so fp r o t o c o l sf o u r 行锄e sa r ev e r i f i e di nq u a 王h u si is o f t w a r e ，a n d t h er e s u l t so fs i i n u l a t i o na r ed i s c u s s e d 3 、o nab a s i so ft h ef p g ac h i pe p 2 c 2 0 q 2 4 0 c 8o fc y c l o n ei is e r i e s ，t h ea u t h o ra c h i e v e s 4o b sr o u t i n gp r o t o c o l 丘锄ea tt h eh a u r d w a r el e v e l ，a n ds i m u l a t e st h ec o m m u n i c a t i o no ft w o o b sn o d e s ，a tl a s tt h er e s u l t so fs t i m u l a t i o na r eo b s e n r e db yo s c i l l o s c o p e ，a i l dt h er e s u l t so f d e b u g g i n ga r ea n a l y z e d 4 、o n er e l a t i v e l yn e wt e c h n o l o g y 一一b f dt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e d ，“st e c l l o l o g y p r o v i d e sa u n i v e r s a la n ds t a n d a r d i z e df a s tf a u l td e t e c t i o nm e c h a n i s m ，a n di ti sf o r e i g nt om e d i u i n 浙江工业大学硕士学位论文 a n dp r o t o c o l ，i tp r o v i d e sl e s st h a n1s e c o n dt e s to ft i m e ，w h i c hc a nb ec o n s i d e r e dt os u b s t i t u t et h e c o m m o n l yu s e ds l o wh e l l om e c h a n i s m k e y 啊7 0 r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，r o u t i n gp r o t o c o l ，f p g a ，b f d 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：珐。酶 日期：溅肛月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 求妨拓 。”州山 日期：? 年f 月 日期：许，瑚 目 日 1 ，7 f ， 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究内容和研究意义 随着d w d m 技术的成熟与广泛应用，通信网络的传输容量已经能够满足各种业务的 需求【1 3 】。但是，目前网络节点的交换能力不足，成为限制当前网络发展的一个瓶颈。为了 增加交换能力、降低交换成本，引入光交换技术势在必行。 全光网络是指光信息流在网络中的交换、选路、传输和恢复等所有功能始终以光的形 式存在，而不需要经过光电、电光变换。由于全光网络中的信号传输全部在光域内进行， 因此，全光网络具有对信号的透明性。它具有如下优点：1 ) 提供巨大的带宽。2 ) 与无线 或铜线比，处理速度高且误码率低。3 ) 采用光路交换的全光网络具有协议透明性，即对 信号形式无限制。允许采用不同的速率和协议，有利于网络应用的灵活性。4 ) 全光网络 中采用较多无源光器件，省去了庞大的光电光转换工作量及设备，提高网络整体交换速 度，降低了成本，有利于提高可靠性。 根据交换粒度、交换方式、资源分配方式和控制信令传输方式的不同，可以将光网络 中的交换方式分为以下三种类型： ( 1 ) 光路交换( o c s ：0 p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 技术，在光子层面的最小交换单元 是一个波长通道上的业务流量【4 1 。 ( 2 ) 光分组交换( o p s ：o p t i c a lp a c k e ts 谢t c h i n g ) 技术，以光分组包作为最小的交 换颗粒。 ( 3 ) 光突发交换( o b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 技术，采用数据分组和控制分组独 立传送，在时间和空间信道上都是分离的，它采用单向资源预留机制，以光突发包作为最 小的交换单元。 1 9 9 9 年纽约州立大学的c h u 眦i n gq i a o 和j s t u m o r 等人提出了光突发交换网络的概 念，目前o b s 已经发展成为光交换网络的一种主流技术【5 司。光突发交换以光突发数据包 为交换单位，通过在单独的信道( 一般是单独的波长) 中提前发送突发控制包( b c p ：b u r s t c o n t r o lp a c k e t ) ，以便预留相应的突发包所需的资源，后续核心节点在电域或光域处理控制 l 浙江工业大学硕士学位论文 信息，光突发数据包透明地( 全光) 到达目的节点，途经的中间节点不需要对它作任何识 别或者其他相关处理，只需要将其按预先配置的信息进行波长变换、延迟【7 1 。光突发数据 包是在入口边缘节点由多个具有相同特性的分组( 如相同的目的节点地址或同类的服务质 量要求) 汇聚而成，并在出口边缘节点完成解汇聚。o b s 的主要特点可以归纳如下： ( 1 ) 粒度适中：o b s 传输单元的大小介于光路交换和光分组交换之间； ( 2 ) 控制与数据信道分离：控制信息在分离的波长( 或信道) 上传输； ( 3 ) 单向预留：采用单向预留的方式分配资源。也就是说，源节点在开始发送突发 包之前，不需要等待来自于目的节点的回应消息； ( 4 ) 变长突发：突发包的长度是可变的： ( 5 ) 无光缓存：在光网络中的中间节点可以不需要光缓存，突发包在经过中间节点 时没有延迟。 与光路交换和光分组交换相比，o b s 具有以下显著特点： ( 1 ) o b s 的交换单位是由若干i p 分组汇聚而成的数据突发包( b d p ：b u r s td a t a p a c k e t ) ，其交换粒度介于光路交换( 波长) 和光分组交换( 光分组) 之间。 ( 2 ) b c p 和b d p 完全分离：在空间域上，o b s 采用带外信令方式，b c p 和b d p 利 用不同的信道传输。b c p 在中间节点上进行光电光转换后，在电域进行处理，为b d p 预 留网络资源以建立光通路，避免使用复杂的光逻辑器件。随后到达的b d p 在中间结点进行 全光交换，不需要使用光存储设备。在时间域上，b c p 提前b d p 一个偏置时间发送。偏 置时间保证中间节点有足够的时间处理b c p ，并且降低了b c p 和b d p 之间的耦合度，b c p 和b d p 无需严格保持同步。 ( 3 ) o b s 采用单向预留协议为b d p 预约一条端到端的光路，即源节点不用等待资源 预留成功的确认信息就可以直接发送b d p ，因此提高了信道带宽利用率，降低了数据端到 端的时延。 o b s 结合了o c s 和o p s 的优点，避免了它们的缺点。与o c s 相比，o b s 具有更高 的带宽利用率，可以更好的支持突发性很强的i p 业务；与o p s 相比，o b s 的交换颗粒较 粗，因而处理开销大为减少，o b s 对光存储技术和光逻辑器件的要求降低，能够在现有的 技术基础上实现。所以o b s 具有很好的发展前景，很有可能在未来光互联网中扮演关键角 色，已成为近年来光通信领域的研究热点嗍。 路由技术在光突发交换网络中占据重要的位置，它主要负责为b c p 寻找并建立一条拥 塞最小的路由，并在服务结束之后终止该连接。因此，在很大程度上影响着光突发交换网 2 浙江工业大学硕士学位论文 络的性能。所以光突发交换网络中的路由技术的研究具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 光突发交换充分发挥了现有的光电子技术的特长，实现成本相对较低、非常适合于在 承载未来高突发业务的因特网中应用，超大容量的光突发交换机同样可用于构建骨干网。 业务导向的网络使得o b s 从技术研究阶段走到了应用阶段，这主要是o b s 技术结合 了光路交换和光分组交换的优点，可以提供透明的、可变粒度的、高效的数据传输，直接 满足这种业务的需求，同时还具有较低的成本。基于这样一种考虑，目前世界范围内已有 数个o b s 网络平台在运行实际业务，尤其集中在网格计算( g r i da p p l i c a t i o n ) 方面，即所 谓的光网格( o p t i c “g r i d ) 或光子网格( p h o t o l l i cq i d ) ，以此来考察0 b s 网络的性能【引。 在美国，m c n c 研究所在华盛顿地区运行着a t d n e t ( a d v a i l c e dt e c h n o l o g yd e m o n s t r a t i o n n e t w o r k ) ，此网络为城域网规模，连接了美国国家航空航天局( n a s a ：n a t i o n a la e r o n a _ u t i c s 趾ds p a c e ) 和美国国防高级研究计划局的研究所，在这个网络平台上主要考察h d t v ( h i 曲 d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 业务【1 0 - 1 2 1 。此外，由北电网络、西门子资助的第一个l o g b e 业务网 络t r a n s l i 曲t s t a r l i g h t ( 主要用于网格计算) 中，也有o b s 的业务应用。在欧盟f p 6 项目 s t o l a s ( s w i t c m n gt e c l m o l o g i e sf o ro p t i c a l l yl a b e l e ds i g n a l s ) 中，一共有六个欧盟国家参 加，参加者有运营商t e l e n o r ，有企业( 包括a d ca l t i u m ，c o m i n g ，l u c e n tt e c l l l l o l o g i e s ， h y m i t e ，n k ti n t e r g r a t i o n ) ，主要是为了探索利用o b s 和o p s 实现全业务的网络，目前 正在应用语音、数据及视频业务实际考察网络的性能。此外，在欧盟f p 6 的n o b e l 烈e x t g e n e r a t i o no p t i c a ln e 俩o r k sf o rb r o a d b a n de u r o p e a l ll e a d e r s h i p ) 项目中，也有相当多的内容 是关于o b s 的实际业务应用。 在国内，北京邮电大学，北京大学，上海交通大学，电子科技大学，武汉邮科院等多 家单位都对o b s 网络开展了详细的研究。其中，北京邮电大学和上海交通大学合作，自 2 0 0 2 年起承担了国家8 6 3 计划关于o b s 技术的重点研究课题，经过两年多的研究，在o b s 网络的关键技术方面取得了巨大的突破，建立了国内第一个o b s 试验平台，并在此平台上 初步实现对语音、数据及视频业务的支持。2 0 0 5 年北京邮电大学又获得了8 6 3 滚动经费的 支持，于2 0 0 6 年年初建成了标签光突发交换( l o b s ) 网络，将m p l s 技术融合进o b s 的控制平面，成功建立了一个具有4 个核心交换节点，3 个边缘节点的具有基本网管系统 的l o b s 试验网络平台，支持数据，语音，视频会议等业务的接入。目前，该实验室正在 跟日本l d i 研究所、英国e s s e x 大学等多家单位合作，进行o b s 扩展领域的研究。 浙江工业大学硕士学位论文 在产业界，光突发交换的领导厂商m a t i s s e 网络公司在2 0 0 6 年推出e m e r b u r s t 光交换 系统，包括s x 一1 0 0 0 以太网业务节点，p x 1 0 0 0 光子节点和m a t i s s e v i e w 管理系统。 e t h e r b u r s t 是业界第一个光突发交换产品，专门针对城域网络应用，可以支持l o g 6 4 0 g b p s 的交叉容量。该产品将以太网交换机的灵活性和d w d m 系统的巨大带宽优势结合到一起， 可以应用到i p t v 、商业以太网业务等需要高带宽的场合。 1 3 主要工作和论文内容安排 本文主要研究o b s 网络中的路由协议，论文分章节安排如下： 第二章介绍光突发交换技术相关知识，着重介绍路由方面的内容。 第三章根据光突发交换网络的特点，参考相关文献，对一种典型的0 b s 路由协议帧格 式进行修改。用v e r i l o gh d l 语言编程实现4 类帧的接收处理及发送，并且在q u a r n ，s i i 软件中，通过模拟o b s 节点之间的通信，对这4 类帧的通信流程进行了仿真验证，对仿 真结果进行分析和讨论。 第四章采用c y c l o n e i i 系列的f p g a 芯片e p 2 c 2 0 q 2 4 0 c 8 ，在硬件层面上实现了4 类 o b s 路由协议帧，仿真了o b s 节点之间的交互通信情况。用示波器观察结果，并且对调 试结果进行分析。 第五章介绍b f d 技术，该技术提供了一个通用的标准化的介质无关和协议无关的快速 故障检测机制，提供小于1 秒的检测时间，可以考虑用其替代现在常用的慢h e l l o 机制。 第六章是论文的总结以及对下一步研究工作的展望。 4 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章光突发交换网络结构及典型路由协议 本章研究光突发交换网络整体结构，并介绍已有的典型的路由协议。 2 1 光突发交换网络结构 2 1 1o b s 体系结构 图2 1 是一个0 b s 网络的基本结构1 3 1 。o b s 网络由若干边缘节点和核心节点通过 w d m 链路连接组成。从层次上看，o b s 网络可以分为接入网和o b s 核心网两层1 4 】。接 入网由边缘节点组成，用于连接传统的i p 网络和o b s 核心网，其主要功能是按照数据包 的目的地址和服务等级等信息，对数据包进行分类、缓存和封装，组合成突发包，并产生 b c p ，b c p 中包含传输交换所必须的控制信息，如突发包的长度、偏置时间等，然后发送 给与之最邻近的0 b s 核心节点。o b s 核心网是一个交换光网，主要基于光技术，执行传 输和底层交换功能。在网络的出口处，边缘节点将突发包拆卸，发送到其他子网或终端用 户。 圈 数据包 圈 控制包 图2 1 光突发交换网络结构 2 1 2o b s 节点结构 o b s 节点分为边缘节点和核心节点。 浙江工业大学硕士学位论文 1 、边缘节点 边缘节点分为入口边缘节点和出口边缘节点。 在入口边缘节点，根据输入i p 流的特性来决定b d p 的大小和偏置时间。包含出口地 址、偏置时间、b d p 大小和服务质量( q o s ：q u a l 时o fs e r v i c e ) 等信息的b c p ，提前于其 所对应的b d p 在分离的控制信道上发送，b d p 经过一个给定偏置时间后跟随b c p 传送。 在出口边缘节点，b d p 被拆分成多个i p 包。边缘节点的功能结构如图2 2 所示【挎1 7 】。 图2 2o b s 边缘节点功能结构 2 、核心节点 图2 3 为o b s 核心节点的功能结构。其中入口、出口光纤数均为n ，每根光纤支持的 波长数均为k + l ( 一个波长用于传输b c p ，另外k 个波长用于传输b d p ) 。用于传输b c p 的波长在网络中间节点需要进行光电光转换，在电域进行路由表查找、对光交换矩阵进 行控制、更新b c p 相应数据域等操作。而对于传输b d p 的波长信道来说，不需要进行光 电光转换，整个交换和传输在光域内完成，保证了数据的透明性。由于中间节点只需要对 少量波长( 控制波长) 进行光电光转换，然后在电域进行处理、控制光交换矩阵等，基 本可以消除电子瓶颈。 6 浙江工业大学硕士学位论文 光纤i 光纤n 图2 3o b s 核心节点功能结构 光纤i 光纤n 2 2 路由协议介绍 近十年来，随着计算机网络规模的不断扩大，路由技术在网络技术中已逐渐成为关键f 部分。由于无须使用保护线路，具有线路利用率高、成本低等优势，目前光互联网的路由 技术倾向于在i p 层而非物理层进行。因此，各种基于p 的网络层路由协议就成为光突发 交换网络路由技术研究的重点。本节介绍几种典型的路由协议，在此基础上对0 b s 网络路 由协议进行分析。 2 。2 。1 路由协议的分类 按照寻径算法的不同，路由协议可分为距离矢量路由协议和链路状态路由协议两种 【1 8 - 1 9 1 。 1 、距离矢量路由协议 距离矢量( v - d ) 路由选择算法可以确定到网络中任意链路的方向与距离。相邻路由 器之间周期性地相互交换各自的路由表备份，当网络拓扑结构发生变化时，路由器之间也 及时地相互通知有关变更消息。在这种算法中，路由器不可能获知整个网络确切的拓扑结 构。概括地说，距离矢量算法要求每一个路由器把它的整个路由表发送给与它直接连接的 其他路由器，路由表中的每一条记录都包括目标逻辑地址、相应的网络接口和该条路由的 矢量距离等信息。当一个路由器从它的邻居节点那里收到更新信息时，它将更新信息与本 身的路由表相比较，如果能从邻居节点找到一条以前不曾知道的新路由或是一条比当前路 7 浙江工业大学硕士学位论文 由更好的路由时，路由器会对自己的路由表进行更新，将从自己到邻居节点间的矢量距离 与更新信息中的矢量距离相加作为新路由的矢量距离。 2 、链路状态路由协议 链路状态路由协议是使用链路状态算法创建整个网络的准确拓扑，以计算路由器到其 他路由器的最短路径，如0 s p f ，i s i s 协议等。与距离矢量算法不同的是，链路状态算法 需要每一个路由器都保存一份最新的关于整个网络的拓扑结构数据库，因此路由器不仅清 楚地知道从本路由器出发能否到达某一指定网络，而且在能到达的情况下，还能够选择出 最短的路径以及使用该路径将经过哪些路由器。 链路状态算法使用链路状态数据包( l s p ：l i n ks t a t ep a c k e t ) 、网络拓扑数据库、最短 路径优先( s p f ：s h o n e s tp a t hf i r s t ) 路径选择算法和s p f 树，最终计算出从该路由器到其 他目标网络的最短路径，这些路径就构成了路由表。在算法中，需要给每个路由器一个唯 一的名字或标识。每个路由器都将链路状态数据包发送给网络上其他的路由器，链路状态 数据包的内容包括该路由器通过哪些网络与哪些路由器直接连接，以及相应连接的传输代 价等信息。 根据路由选择协议是运行在一个自治系统( a s ：a u t o n o m o u ss y s t e m ) 的内部还是运 行在自治系统之间以连接不同的自治系统，路由选择协议可以分为内部网关协议( i g p ： i n t e r i o rg a t e 、v a yp r o t o c 0 1 ) 和外部网关协议( e g p ：e x t e r i o rg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 。这里的自 治系统是指使用同一公共路由选择策略和同一公共管理下的网络集合。 内部网关协议是用于在自治系统内部交换路由选择信息的路由选择协议，如p 、 i g i 理、e i g r p 、i s i s 和0 s p f 等协议。外部网关协议是用于在自治系统之间交换路由选择 信息的路由选择协议，如b g p 协议等。 2 2 2 典型路由协议 一、边界网关路由协议 b g p 是一种在t c p i p 网络中完成域间路由计算的协议，它是一种外部网关协议，是 在多个a s 域内或是域间对分组传输的路由进行选择和域间路由信息交换的协议。作为一 种标准的外部网关协议，b g p 的目的就是为了解决大型互联网的路由选择问题。 两个可以在自治系统之间进行通信的b g p 相邻节点必须存在于同一个物理链路上。位 于同一个自治系统内的b g p 路由器可以互相通信，以确保它们对整个自治系统的所有信息 都相同，而且通过信息交换后，它们将决定自治系统内哪个b g p 路由器作为连接点来负责 8 浙江工业大学硕士学位论文 接收来自自治系统外部的信息。 有些自治系统仅仅作为一个数据传输的通道，这些自治系统既不是数据的发起端，也 不是数据的接收端。b g p 协议必须与存在于这些自治系统内部的路由协议打交道，以使数 据能正确通过它们。 b g p 协议的路由刷新消息由“( 网络号：自治系统路径) ”所组成，每一个自治系统路 径都是一系列自治系统的名字字符串，它记录了通向最终目标所经过的网络。b g p 协议的 路由刷新消息通过传输控制协议t c p 进行可靠传输。 两个路由器之间最初的数据交换的依据是整个b g p 协议的路由选择表。随着路由表的 不断变化，发送路由选择刷新消息的次数也越来越多。与其他一些路由选择协议有所区别， b g p 协议不要求对整个路由选择表进行周期性刷新，运行b g p 协议的路由器保存了每一 个路由选择表的最新版本。尽管b g p 协议保持通向特定目标的所有路径的路由选择表，但 在路由选择刷新消息中仅仅说明最佳路径。 b g p 可以实现3 种类型的路由选择：域间自治系统的路由选择、域内自治系统的路由 选择和穿梭式自治系统中的路由选择。 在不同自治系统的两个或多个b g p 路由器间采用域间自治系统的路由选择，在这种系 统中的对等路由器使用b g p 路由协议来维护一个一致的互联网拓扑结构。不同a s 中的 b g p 相邻节点必须属于同一物理网络才能通信。因特网是由a s 或者说是管理域所组成， 这种域很多是属于研究机构、企业或其他一些社会实体，他们之间的相互连接构成了因特 网，而b g p 就为它们之间的相互通信提供路径决策和选择一条较优的路径进行数据传输。 在同一a s 内的多个b g p 路由器采用域内自治系统路由选择，在这种系统中的对等路 由器也使用b g p 路由协议来维护一个一致的互联网拓扑结构。b g p 协议也常用来判断哪 一个路由器是作为该a s 与外部a s 通信的服务提供者。既可以作为域问路由选择协议也 可以用于域内路由选择是b g p 协议的优势所在。 两个或多个b g p 对等路由器通过一个中间不使用b g p 协议的系统相互交换信息时， 将使用穿梭式自治系统中的路由选择。b g p 必须能与用于任何内部a s 的域内路由协议交 互作用，以保证b g p 业务能成功地通过那个a s 进行传输。 二、内部网关路由协议 众多i n t e m e t 服务提供商在自治系统间普遍使用前面介绍的外部网关路由协议，在自 治系统内部使用的路由协议都不尽相同，但都属于内部网关协议。 1 、r i p 和i g r p 仂议 9 浙江工业大学硕士学位论文 路由信息协议( 对p ：r o u t i n gi n f o n l l a t i o np r o t o c 0 1 ) 是一种基于d v 算法的简单动态 路由协议，主要用于小型网络【2 0 】。v - d 算法的思想是这样的：网关周期性地向外广播路径 刷新报文，主要内容是由若干( v d ) 序偶组成的序偶表。( v - d ) 序偶中，v 代表“向量 ( v e c t o r ) ”，标识该网关可以达到的信宿( 网络或主机) ；d 代表“距离( d i s t a l l c e ) ”，指 出该网关去往信宿的距离，距离d 按照路径上的路由段计数。其他网关收到某网关的( v - d ) 报文后，据此按最短路径原则对各自的路由表进行刷新。它通过u d p 交换路由信息，每 隔3 0 秒向外发送一次更新报文( 将自己所有的路由表都发送给邻居) 。如果路由器经过1 8 0 秒没有收到来自对方端的路由更新报文，则将所有来自此路由器的路由信息标志为不可 达，如果在其后1 2 0 秒内仍未收到更新报文，就将该条路由从路由表中删除。 舳使用跳数来衡量到达目的网络的距离，路由器到与它直接相连网络的跳数为o ， 通过一个路由器可达网络的跳数为l ，其余依此类推。为限制收敛时间，p 规定m e t r i c 最大跳数为1 5 ，高于此的都不可达，这是限制砒p 不能用于大型网络的主要因素。 对p 协议处于u d p 协议的上层，砒p 所接收的路由信息都封装在u d p 的数据报中， r j p 在5 2 0 号端口上接收来自远程路由器的路由修改信息，并对本地的路由表做相应地修 改，同时通知其他路由器。通过这种方式，达到全局路由的同步。 内部网关路由协议( i g i 强：i n t e r i o rg a t e w a yr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 是一种在自治系统a s 中提供路由选择功能的路由协议。在上世纪8 0 年代中期，最常用的内部路由协议是路由 信息协议( r j p ) 。尽管r j p 对于实现小型或中型同机种互联网络的路由选择是非常有用 的，但是随着网络的不断发展，其受到的限制也越加明显。思科路由器的实用性和i g r p 的 强大功能性，使得众多小型互联网络组织采用i g i 冲取代了砒p 。早在上世纪9 0 年代， 思科就推出了增强的i g r p ，进一步提高了i g i 冲的操作效率。 为具有更大的灵活性，i g r p 支持多路径路由选择服务。在循环( r o u n dr o b i n ) 方式 下，两条同等带宽线路能运行单通信流，如果其中一根线路传输失败，系统会自动切换到 另一根线路上。多路径可以是具有不同标准但仍然奏效的多路径线路。例如，一条线路比 另一条线路优先3 倍( 即标准低3 级) ，那么意味着这条路径可以使用3 次。只有符合某 特定最佳路径范围或在差量范围之内的路径才可以用作多路径。 砌p 和i g r p 路由协议都是较早期推出的距离矢量路由协议，都存在一定的缺点，非 常不适于在大型网络使用。随着网络规模不断扩大，需要运行更加高效的路由协议。 2 、e i g r p 协议 增强的i g r p 协议( e i g r p ：e 芏吐l a n c e di n t e r i o rg a t e w a yr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 是c i s c o 开 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 发的增强型版本的i g r p 路由协议，仍然属于距离矢量路由协议，但是它却又具有链路状 态路由协议的一些特性，也维护邻居表、拓扑数据库，并且在它的拓扑数据库中维护着多 条可选最佳路径，如果最佳路径失效，不用经过任何复杂的算法，e i g i 冲仅需要进行简单 的比较之后就可以将冗余路径提升为当前最佳路径，并装载到路由表中，这个特性使得 e i g r p 收敛速度非常快，并且支持在等开销和非等开销的路径上进行负载均衡【2 1 之3 1 。 e i g r p 并不是定期发送路由更新信息，只有在拓扑结构有变化时才发送，并且也不是 发送整个路由表，而是只发送有变化的链路的状态；并且e i g r p 并不是使用广播发送路由 信息，而是使用组播，从而减少了带宽的消耗。 尽管e i g i 冲在一定程度上进行了开放，但它最大的局限性仍在于它是c i s c o 公司特有 的路由协议，网络必须都是c i s c o 的路由器，其他厂商生产的路由设备并不能在运行e i g r p 的网络上正常工作。所以在城域网甚至是国家级的大型网络上，并不适合运行e i g r p 路由 协议。 3 、i s i s 协议 i s i s 也是一种内部网关路由协议，用于在骨干网内部起连通骨干、选径、负载均衡和 自动迂回的作用。i s i s 是在i s 0 1 0 5 8 9 中定义的，仅支持对c l n p ( c o i l e c t i o n l e s sn e 咖r k p r o t o c 0 1 ) 的路由。c l n p 是o s i 网络层协议，用于在无连接的链路上携带上层数据。集成 化的i s i s 是扩展版本的i s i s 协议，用于i s oc l n p 和i p 混合的环境中。既可用于单纯 的i p 路由，又可用于单纯的i s oc l n p 路由，还可用于两者的混合路由。在链路状态数据 包中使用t l v 参数携带信息，正是t l v 使得i s i s 可以扩展，并且可以在l s p 中携带不 同类型的信息。和o s p f 一样，i s i s 也是使用组播发布路由更新信息，并且也是只有当链 路状态有变化时才会发布路由更新，而不是定时地发送。 i s i s 主要有以下局限性： ( 1 ) i s i s 中没有n b m a 网络的概念。这样i s i s 支持的网络类型比o s p f 要少，没 有o s p f 灵活，仅支持两种物理链路：广播特性多路访问( b m a ：b r o a d c a s t i n gm u l t i a c c e s s ) 的介质类型和点对点类型。 ( 2 ) 即使在纯i p 路由的环境中，仍然需要配置c l n s 参数( 每个i s i s 路由器都需 要有i s o 地址，s p f 算法需要使用所配置的地址来标识路由器) ，路由器仍然需要建立c l n s 邻居关系( 即需要使用o s i 协议才能在路由器之间建立邻居关系) ，并使用c l n s 数据包。 ( 3 ) i s i s 使用一个仅有6 b i t 的度量值，严重限制了与它进行信息交换的能力；而且 链接状态也只有8 b i t 长，路由器能通告的记录只有2 5 6 个。但现在的w i d e m e t r i c 使这个 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 范围变成2 4 位的扩展解决了这个问题。 ( 4 ) 一个非技术问题是i s i s 受o s i 约束，与o s p f 相比它的发展比较缓慢。 4 、o s p f 协议 o s p f 路由协议是由i n t e m e t 工程任务组( i e t f ：i n t e m e te n g i n e e 打n gt a s kf o r c e ) 在 i 心c1 5 8 3 中定义的，是一种基于s p f 算法的路由协议。o s p f 没有使用路由器跳数，所以 对网络直径没有限制【2 4 也6 1 。 o s p f 是一个开放标准，并不被某个设备厂商所独自拥有，各个厂商生产的路由设备 只要支持该路由协议，就可以进行互操作。这也正是o s p f 被广泛使用的原因之一。 ( 1 ) o s p f 的基本原理 因特网中包含许多称为自治系统的路由域，即a s ，它是指一组使用统一的路由政策 ( 即路由协议) 互相交换路由信息的网络f 2 刀。在a s 之间通常使用边界网关协议b g p ，而 在每个a s 内部，通常使用o s p f 或i s i s 等协议。o s p f 是目前使用较多的协议。使用o s p f 协议时，所有的o s p f 路由器都维护一个相同的描述该a s 拓扑结构的数据库，所述数据 库中存放的是该a s 系统中每条网络链路的状态信息。每台o s p f 路由器就是使用这个数 据库的信息，采用s p f 算法( 也称d i j k s 乜a 算法) 来计算从本路由器到达各目的网络的最 短路径。得到的最短路径标明了到达各目的网络地址的最佳下一跳路由器，将下一跳路由 器的i p 地址填入i p 路由表中。虽然每个路由器都是从自己的角度寻找到达各自目的网络 的最短路径，但由于它们都拥有相同的拓扑数据库，所以最短路径都是一致的。o s p f 协 议计算中使用的距离是一个无单位的度量值，它可以根据管理和技术的需求来选取，例如： 该值可以直接反映使用接口的实际费用或者是接口的网络带宽等。一般情况下，取1 0 8 除 以带宽得到的值，如1 0 m 以太网链路度量值为1 0 ，l o o m 快速以太网的度量为l 。 o s p f 的实现包括以下4 个步骤： 1 ) 初始化形成端口初始信息。在路由器初始化或网络结构发生变化( 如链路发生变 化、路由器新增或损坏等) 时，相关路由器会产生链路状态广播( l s a ：l i i l l ( s t a t e a d v e n i s e m e n t ) 数据包，该数据包里包含路由器上所有相连接的链路，即所有端 口的状态信息。 2 ) 路由器间通过泛洪法( f l o o d i n g ) 交换链路状态信息。各路由器一方面将其l s a 数据包传送给所有与其相邻的o s p f 路由器，另一方面接收其相邻的0 s p f 路由 器传来的l s a 数据包，更新自己的数据库。 3 ) 形成稳定的区域拓扑结构数据库。o s p f 路由协议通过泛洪法逐渐收敛，形成该区 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 域拓扑结构的数据库，这时所有的路由器均保留了该数据库的一个副本。 4 ) 形成路由表。所有的路由器根据区域拓扑结构数据库的副本采用最短路径法，计 算形成各自的路由表。 ( 2 ) o s p f 结构模型 路由器要进行路由选择，就必须维护一个路由表，o s p f 把路由表称为路由数据库 ( r o u t ed a t a b a s e ) 。由于o s p f 是基于链路状态的路由协议，所以一旦发现某个路由器的 状态发生改变，就要运行一次s p f 算法，产生新的路由，各个路由器更新路由数据库。当 网络的规模比较小时，计算一次路由很快完成；而在大型网络中，根据o s p f 路由协议的 特点，如果整个网络只有一个区域，每个路由器中存放的整个网络的拓扑数据库将会非常 大，一旦有某条链路状态改变，将迫使区域内部的所有路由器都需要重新计算自己的最短 路径树，这将消耗六量的c p u 和内存资源。 所以在大型网络中，通常会将整个网络分成多个区域进行管理。分成区域后，如果有 链路状态改变，则只有该区域内的路由器需要更新拓扑数据库，并重新计算最短路径树， 而该区域之外的路由器却不受影响，这样就减小了链路状态变化带来的影响，而且减少了 需要传送的链路状态广播信息，大大节省了网络带宽。因此，0 s p f 采用分层的模型。一 个a s 被o s p f 分成数个区域( 觚a ) ，各个区域之间存在层次关系的示例如图2 4 所示。 图2 4o s p f 层次结构示例 图2 4 中每个虚线框就是一个区域，r o u t e r a 、b 、c 在区域o ，r o u t e m 、d 、e 在区 浙江工业大学硕士学位论文 域1 ，r o u t e r c 、f 在区域2 。其中，r o u t e r b 和c 都同时属于两个区域，这样的路由器称 为区域边界路由器( a b r ：a e a rb o r d e