31、Internet网络层——OSPF&BGP&Internet组播&移动IP（网络层）

OSPF——内部网关协议

• 正如前述，Internet由大量的独立网络或自治系统构成，并且由不同的组织运营，这些组织通常是公司、大学或者ISP。在自己网络内部，一个组织可以使用自己的内部路由算法，或者更流行的名称叫域内路由算法。不过，流行的只有极少数几个标准协议。在本节，我们将了解域内路由问题并考查OSPF协议，这是一个被普遍使用的路由协议。域内路由协议也称为内部网关协议。
• 早期的域内路由协议采用了距离矢量算法的设计思想，基于分布式Bellman-Ford算法，该算法继承自ARPANET。路由信息协议（RIP）是当时运行的一个主要例子。在小型网络系统中RIP运作良好，但它不适应规模较大的网络；而且它还遭受无穷计数问题的困扰，收敛速度一般很慢。因为这些问题，1979年ARPANET切换到一个链路状态协议，1988年IRTF开始为域内路由设计一个链路状态路由协议。该协议在1990年成为标准，它就是开放最短路径优先（OSPF）。它借鉴了另一个称为中间系统到中间系统（IS-IS）的协议，该协议已经成为一个ISP标准。由于它们的共同根源，这两个协议大同小异。它们在域内路由协议中占有绝对优势，大多数路由器制造商都同时支持这两个协议。OSPF更广泛地应用在公司网络，而IS-IS则更多地应用在ISP网络。我们将给出OSPF如何工作的大致轮廓。
• 由于有了其他路由协议的长期工作经验，负责设计新协议的工作组列出了一系列必须要满足的需求。第一，该算法必须发表在公开的文献中，这便是OSPF中O的含义。第二，新的协议必须支持多种距离度量，包括物理距离、延迟等。第三，它必须是一个动态算法，能够自动而快速地适应可络拓扑结构变化。第四，对于OSPF来说这是新的需求，它必须支持基于服务类型的路由。新的协议必须能够区分实时流量和其他流量，并使用不同的路由方法。当时，IP协议有一个服务类型字段，但是没有一个路由协议使用这个字段。OSPF也包含该字段，但是仍然没有人使用它，最终它又被去掉了。也许这种需求有点超期，因为它先于IETF的区分服务工作展开前提出，区分服务模式使得服务质量重新焕发了活力。
• 第五条与上面一条有关，OSPF必须实现负载均衡，即把负载分散到多条线路上。大多数以前的协议都将所有的数据包通过最优路径发送出去，即使存在两条同等程度好的路由也只选择一条，其他路径根本不使用。在许多情况下，将负载分散到多条线路上可以获得更好的性能。第六，必须支持层次系统。到1988年，一些网络已经增长到相当大的规模，以至于任何一台路由器都不可能知道其完整的拓扑结构。OSPF必须设计成不要求路由器知道完整的拓扑结构也能很好地工作。第七，要求提供适度的安全性，以防止恶作剧的学生向路由器发送虚假路由信息来欺骗路由器。第八，对于那些通过隧道连接Internet的路由器，新协议也必须能够对能够对它们进行处理。以前的协议并不能很好地解决这些问题。
• OSPF同时支持点到点链路（比如SONET）和广播网络（例如大多数局域网）。其实它能支持拥有多个路由器的网络，这些路由器中的每一个都可以直接与其他路由器通信（称为多路访问网络），即使它们没有广播能力。此前的协议不能很好地处理这种情况。图中给出了一个自治系统网络。这里主机被省略了，因为它们在OSPF中通常不起作用，真正参与路由协议的是路由器和网络，最终到达这些网络中的主机。然而，路由器R3、R4、R5则是通过一个广播局域网连接，诸如交换式以太网。
• OSPF的工作方式本质上是对一张图进行操作：将一组实际网络、路由器和线路抽象到一个有向图中，图中的每条弧有一个权值（距离延迟等）。两台路由器之间的点到点连接可以用一对弧来表示，每个方向上一个，两个方向上的权值可以不同。广播网络用一个节点表示，加上网络上每台路由器用一个节点表示，从网络节点到路由器节点之间的弧段权值为0。有主机的网络只需要一条到达网络的弧，没有返回弧。这种结构使得路由可以到达主机但是不能穿过主机。OSPF协议从根本上做了两件事，首先用一个类似图b的图来表示实际网络，然后每个路由器使用链路状态方法计算从自身发出到所有其他节点的最短路径。有可能协议会发现多个同样短的路径，在这种情况下，OSPF记住最短路径集合，并在报文转发期间把流量分摊到这些路径上。这种多路径路由方法有助于负载均衡。该方法称为等价成本多路径（ECMP）。
• Internet中的许多AS本身非常庞大，而且不便于管理。OSPF可以将这样的AS划分成编号的区域，每个区域是一个网络，或者一组相连的网络区域不能相互重叠，但是也不必面面俱到，也就是说有些路由器可能不属于任何一个区域。全部属于一个区域的路由器称为内部路由器。区域是单个网络的一种泛化形式。在区域外部，能见到的是它的目的地而不是拓扑结构。
• 每个AS有一个骨干区域，称为0号区域。该区域中的路由称为骨干路由器。所有区域都必须连接到骨干区域，连接方式有可能会通过隧道进行；所以，从AS内的任何一个区域出发经过骨干区域，总是有可能到达该AS的任何其他区域。在图形表示法中，隧道也可以用一个弧来表示，并且有一个权值。如同所有其他的区域一样，骨干区域的拓扑结构对于外部也是不可见的。
• 每个连接到两个或更多区域的路由器称为局域边界路由器。它必须是骨干区域的一部分。区域边界路由器的工作任务：概括本区域的目的地信息并注入到与自己连接的其他区域。这种概括包含成本信息，但不包括区域内的所有拓扑结构。传递成本信息可以使得其他区域内的主机找到进入本区域的最好区域边界路由器。不传递拓扑信息可以减少流量和简化其他区域路由器的最短路径计算。然而如果只有一个边界路由器通往区域外，甚至路由信息概要都不需要传递。通往该区域外部目的地的路由总是被指令前往边界路由器，这类区域称为存根区域。
• 最后一种路由器是AS边界路由器。它把通往其他AS的外部路由注入到本区域。然后外部路由就呈现为可以通过AS边界路由器可达的目的地，该路由当然会有某种成本。外部路由可以注入一个或更多AS边界路由器。图中给出了自治系统、区域和各种路由器之间的关系。一个路由器可以扮演多种角色，例如一个边界路由器同时还是一个骨干路由器。