趣谈网络协议09路由协议

路由表

路由器就是一台网络设备,它有多张网卡。当一个入口的网络包送到路由器时,它会根据一个本地的转发信息库,来决定如何正确地转发流量。这个转发信息库通常被称为路由表。

一张路由表中会有多条路由规则。每一条规则至少包含这三项信息。

目的网络:这个包想去哪儿?

出口设备:将包从哪个口扔出去?

下一跳网关:下一个路由器的地址。

通过 route 命令和 ip route 命令都可以进行查询或者配置。

例如,我们设置 ip route add 10.176.48.0/20 via 10.173.32.1 dev eth0,就说明要去 10.176.48.0/20 这个目标网络,要从 eth0 端口出去,经过 10.173.32.1。

网关上的路由策略就是按照这三项配置信息进行配置的。这种配置方式的一个核心思想是:根据目的 IP 地址来配置路由。

策略路由

在真实的复杂的网络环境中,除了可以根据目的 ip 地址配置路由外,还可以根据多个参数来配置路由,这就称为策略路由。

可以配置多个路由表,可以根据源 IP 地址、入口设备、TOS 等选择路由表,然后在路由表中查找路由。这样可以使得来自不同来源的包走不同的路由。

例如,我们设置:

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ip rule add from 192.168.1.0/24 table 10 
ip rule add from 192.168.2.0/24 table 20

表示从 192.168.1.10/24 这个网段来的,使用 table 10 中的路由表,而从 192.168.2.0/24 网段来的,使用 table20 的路由表。

在一条路由规则中,也可以走多条路径。例如,在下面的路由规则中:

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ip route add default scope global nexthop via 100.100.100.1 weight 1 nexthop via 200.200.200.1 weight 2

下一跳有两个地方,分别是 100.100.100.1 和 200.200.200.1,权重分别为 1 比 2。

例子:家里从运营商拉了两条网线,一条快,一条慢。

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ip route list table main 
60.190.27.189/30 dev eth3 proto kernel scope link src 60.190.27.190
183.134.188.1 dev eth2 proto kernel scope link src 183.134.189.34
192.168.1.0/24 dev eth1 proto kernel scope link src 192.168.1.1
127.0.0.0/8 dev lo scope link
default via 183.134.188.1 dev eth2

当路由这样配置的时候,就告诉这个路由器如下的规则:

如果去运营商二,就走 eth3;

如果去运营商一呢,就走 eth2;

如果访问内网,就走 eth1;

如果所有的规则都匹配不上,默认走运营商一,也即走快的网络。

上面说的都是静态的路由,一般来说网络环境简单的时候,在自己的可控范围之内,自己捣鼓还是可以的。但是有时候网络环境复杂并且多变,如果总是用静态路由,一旦网络结构发生变化,让网络管理员手工修改路由太复杂了,因而需要动态路由算法。

动态路由算法

使用动态路由路由器,可以根据路由协议算法生成动态路由表,随网络运行状况的变化而变化。

我们把可以把网络抽象为一种叫作图的数据结构。网络传输路越少越好,道路越短越好。因而这就转化成为如何在图中找到最短路径的问题。

1. 距离矢量路由算法

第一大类的算法称为距离矢量路由(distance vector routing)。它是基于 Bellman-Ford 算法的。

这种算法的基本思路是,每个路由器都保存一个路由表,包含多行,每行对应网络中的一个路由器,每一行包含两部分信息,一个是要到目标路由器,从那条线出去,另一个是到目标路由器的距离。

由此可以看出,每个路由器都是知道全局信息的。那这个信息如何更新呢?每个路由器都知道自己和邻居之间的距离,每过几秒,每个路由器都将自己所知的到达所有的路由器的距离告知邻居,每个路由器也能从邻居那里得到相似的信息。

每个路由器根据新收集的信息,计算和其他路由器的距离,比如自己的一个邻居距离目标路由器的距离是 M,而自己距离邻居是 x,则自己距离目标路由器是 x+M。

缺点

问题1:好消息传得快,坏消息传得慢。

如果有个路由器加入了这个网络,它的邻居就能很快发现它,然后将消息广播出去。要不了多久,整个网络就都知道了。但是一旦一个路由器挂了,挂的消息是没有广播的。当每个路由器发现原来的道路到不了这个路由器的时候,感觉不到它已经挂了,而是试图通过其他的路径访问,直到试过了所有的路径,才发现这个路由器是真的挂了。

问题2:每次发送的时候,要发送整个全局路由表。

网络大了,谁也受不了,所以最早的路由协议 RIP 就是这个算法。它适用于小型网络(小于 15 跳)。当网络规模都小的时候,没有问题。现在一个数据中心内部路由器数目就很多,因而不适用了。

所以上面的两个问题,限制了距离矢量路由的网络规模。

2. 链路状态路由算法

第二大类算法是链路状态路由(link state routing),基于 Dijkstra 算法。

这种算法的基本思路是:当一个路由器启动的时候,首先是发现邻居,向邻居 say hello,邻居都回复。然后计算和邻居的距离,发送一个 echo,要求马上返回,除以二就是距离。然后将自己和邻居之间的链路状态包广播出去,发送到整个网络的每个路由器。这样每个路由器都能够收到它和邻居之间的关系的信息。因而,每个路由器都能在自己本地构建一个完整的图,然后针对这个图使用 Dijkstra 算法,找到两点之间的最短路径。

不像距离距离矢量路由协议那样,更新时发送整个路由表。链路状态路由协议只广播更新的或改变的网络拓扑,这使得更新信息更小,节省了带宽和 CPU 利用率。而且一旦一个路由器挂了,它的邻居都会广播这个消息,可以使得坏消息迅速收敛。

动态路由协议

1. 基于链路状态路由算法的 OSPF

OSPF(Open Shortest Path First,开放式最短路径优先)就是这样一个基于链路状态路由协议,广泛应用在数据中心中的协议。由于主要用在数据中心内部,用于路由决策,因而称为内部网关协议(Interior Gateway Protocol,简称 IGP)。

内部网关协议的重点就是找到最短的路径。在一个组织内部,路径最短往往最优。当然有时候 OSPF 可以发现多个最短的路径,可以在这多个路径中进行负载均衡,这常常被称为等价路由。

这一点非常重要。有了等价路由,到一个地方去可以有相同的两个路线,可以分摊流量,还可以当一条路不通的时候,走另外一条路。这个在后面我们讲数据中心的网络的时候,一般应用的接入层会有负载均衡 LVS。它可以和 OSPF 一起,实现高吞吐量的接入层设计。

2. 基于距离矢量路由算法的 BGP

我们称为外网路由协议(Border Gateway Protocol,简称 BGP)。外网的路由协议。

对于网络包同样,每个数据中心都设置自己的 Policy。例如,哪些外部的 IP 可以让内部知晓,哪些内部的 IP 可以让外部知晓,哪些可以通过,哪些不能通过。这就好比,虽然从我家里到目的地最近,但是不能谁都能从我家走啊!

在网络世界,这一个个国家成为自治系统 AS(Autonomous System)。自治系统分几种类型。

Stub AS:对外只有一个连接。这类 AS 不会传输其他 AS 的包。例如,个人或者小公司的网络。

Multihomed AS:可能有多个连接连到其他的 AS,但是大多拒绝帮其他的 AS 传输包。例如一些大公司的网络。

Transit AS:有多个连接连到其他的 AS,并且可以帮助其他的 AS 传输包。例如主干网。

每个自治系统都有边界路由器,通过它和外面的世界建立联系。

BGP 又分为两类,eBGP 和 iBGP。自治系统间,边界路由器之间使用 eBGP 广播路由。内部网络也需要访问其他的自治系统。边界路由器如何将 BGP 学习到的路由导入到内部网络呢?就是通过运行 iBGP,使得内部的路由器能够找到到达外网目的地的最好的边界路由器。

BGP 协议使用的算法是路径矢量路由协议(path-vector protocol)。它是距离矢量路由协议的升级版。

前面说了距离矢量路由协议的缺点。其中一个是收敛慢。在 BGP 里面,除了下一跳 hop 之外,还包括了自治系统 AS 的路径,从而可以避免坏消息传得慢的问题,也即上面所描述的,B 知道 C 原来能够到达 A,是因为通过自己,一旦自己都到达不了 A 了,就不用假设 C 还能到达 A 了。

另外,在路径中将一个自治系统看成一个整体,不区分自治系统内部的路由器,这样自治系统的数目是非常有限的。就像大家都能记住出去玩,从中国出发先到韩国然后到日本,只要不计算细到具体哪一站,就算是发送全局信息,也是没有问题的。


趣谈网络协议09路由协议
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作者
韩启川
发布于
2023年7月3日
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