网络层核心：路由和路由生成算法

一、路由和路由算法简介：

路由就是通过互连的网络把信息从源地址传送到目的地址的活动。路由发生在OSI网络参考模型的第三层即网络层。

路由引导封包转送，经过一些中间的节点后，到达目的地。把该功能做成硬件的话称为路由器。路由通常根据路由表来引导封包转送。因此为了有效率的转送封包，建立存储在路由器内存的路由表是非常重要的。路由与桥接的不同在于，路由假设地址相似的结点距离相近。这使得路由表中的一项纪录可以表示到一组地址的路径。

二、路由的基本原理：

1、路由的内涵：

路由包含两个基本动作：确定最佳路径和通过网络传输信息。

（1）路径选择：metric是路由算法用已确定到达目的地最佳路径的计量标准，如路径长度。路由算法根据许多信息来填充路由表，目的/下一跳地址对告知路由器到达目的的最佳方式是把分组发送给代表 “下一跳” 的路由器，当路由器收到一个分组，他就检查其目标地址，尝试将此地址与其 “下一跳” 相联系。

（2）交换：交换算法相对比较简单，对于大多数路由协议而言是相同，多数情况下，某主机向另一个主机发送数据，通过某些方法获得路由器地址后，源主机发送指向该路由器的物理地址的数据包，其协议地址指向目的主机。

2、路由算法的基本类型：

（1）静态与动态：静态算法严格意义很难算得上是算法，只不过是开始路由器前由网管建立的表映射。此算法容易设计，在网络通信可预测及简单的网络中工作的很好，但不能适应网络状态变化。动态路由算法可以适当的以静态算法作为补充，可适应网络状态变化但开销大、复杂。

（2）单路径与多路径。

（3）平坦与分层.。

（4）主机智能与路由器智能。

（5）域内与域间。

（6）链接状态与距离向量。

三、几种常见的路由算法：

1、最短路径优先算法------Dijstra算法：

迪杰斯特拉(Dijkstra)算法是典型最短路径算法，用于计算一个节点到其他节点的最短路径。

它的主要特点是以起始点为中心向外层层扩展(广度优先搜索思想)，直到扩展到终点为止。

基本思想

通过Dijkstra计算图G中的最短路径时，需要指定起点s(即从顶点s开始计算)。

此外，引进两个集合S和U。S的作用是记录已求出最短路径的顶点(以及相应的最短路径长度)，而U则是记录还未求出最短路径的顶点(以及该顶点到起点s的距离)。

初始时，S中只有起点s；U中是除s之外的顶点，并且U中顶点的路径是"起点s到该顶点的路径"。然后，从U中找出路径最短的顶点，并将其加入到S中；接着，更新U中的顶点和顶点对应的路径。然后，再从U中找出路径最短的顶点，并将其加入到S中；接着，更新U中的顶点和顶点对应的路径。 ... 重复该操作，直到遍历完所有顶点。

操作步骤

(1) 初始时，S只包含起点s；U包含除s外的其他顶点，且U中顶点的距离为"起点s到该顶点的距离"[例如，U中顶点v的距离为(s,v)的长度，然后s和v不相邻，则v的距离为∞]。

(2) 从U中选出"距离最短的顶点k"，并将顶点k加入到S中；同时，从U中移除顶点k。

(3) 更新U中各个顶点到起点s的距离。之所以更新U中顶点的距离，是由于上一步中确定了k是求出最短路径的顶点，从而可以利用k来更新其它顶点的距离；例如，(s,v)的距离可能大于(s,k)+(k,v)的距离。

(4) 重复步骤(2)和(3)，直到遍历完所有顶点。

单纯的看上面的理论可能比较难以理解，下面通过实例来对该算法进行说明。

迪杰斯特拉算法图解

以上图G4为例，来对迪杰斯特拉进行算法演示(以第4个顶点D为起点)。

初始状态：S是已计算出最短路径的顶点集合，U是未计算除最短路径的顶点的集合！

第1步：将顶点D加入到S中。

此时，S={D(0)}, U={A(∞),B(∞),C(3),E(4),F(∞),G(∞)}。     注:C(3)表示C到起点D的距离是3。

第2步：将顶点C加入到S中。

上一步操作之后，U中顶点C到起点D的距离最短；因此，将C加入到S中，同时更新U中顶点的距离。以顶点F为例，之前F到D的距离为∞；但是将C加入到S之后，F到D的距离为9=(F,C)+(C,D)。

此时，S={D(0),C(3)}, U={A(∞),B(23),E(4),F(9),G(∞)}。

第3步：将顶点E加入到S中。

上一步操作之后，U中顶点E到起点D的距离最短；因此，将E加入到S中，同时更新U中顶点的距离。还是以顶点F为例，之前F到D的距离为9；但是将E加入到S之后，F到D的距离为6=(F,E)+(E,D)。

此时，S={D(0),C(3),E(4)}, U={A(∞),B(23),F(6),G(12)}。

第4步：将顶点F加入到S中。

此时，S={D(0),C(3),E(4),F(6)}, U={A(22),B(13),G(12)}。

第5步：将顶点G加入到S中。

此时，S={D(0),C(3),E(4),F(6),G(12)}, U={A(22),B(13)}。

第6步：将顶点B加入到S中。

此时，S={D(0),C(3),E(4),F(6),G(12),B(13)}, U={A(22)}。

第7步：将顶点A加入到S中。

此时，S={D(0),C(3),E(4),F(6),G(12),B(13),A(22)}。

此时，起点D到各个顶点的最短距离就计算出来了：A(22) B(13) C(3) D(0) E(4) F(6) G(12)。

（Dijkstra算法(一)之 C语言详解）

2、扩散算法（Flooding）

　另一种静态算法是扩散法（flooding），它把收到的每一个分组，从除了分组到来的线路外的所有输出线路上发出。显然扩散要产生大量的重

复分组，事实上有可能是无穷多个分组，除非采用一些措施抑制这种过程。一种措施是让每个分组头包含站点计数器，每经过一个站点，计数器

减1，当计数器值为0时，就扔掉分组。理想的情况是计数器设置初值为从源端到目的端的路径长度。如果发送者不知道路径的长度，它可以按

最糟糕的情况，即子网的直径来设置初值。

　　另一种方法是记录下分组扩散的路径，防止它第二次再扩散到已扩散的路径中。达到这一目的的一种方法是让源端路径器在所接收的来自

主机的每一个分组中设置一个序号，每个路径器对应于每个源端路由器有一张表，用来指明已见到的是源端生成的哪个序号，如果进入的分组

已在表中，则不再扩散。

为了防止该表无限制地增长，每个表应加一个计数器k作为参数，表示直到k的序号都已看见。当一个分组进入时，就能容易查出此分组是否为

复制品；如果是，则扔掉此分组。而且，低于k的表项都不再需要，因为k已有效地综合了各种因素。

　　扩散法的一个稍为实际的变种是选择性扩散法（selective flooding）。在这种算法中，路由器并不将每一进来的分组从每一条输出线路上发出

，而是仅发送到与正确方向接近的那些线路上。不太可能将一个应该向西传送的分组传送到向东的线路上去，除非拓扑结构极为奇特。

　　扩散法在很多应用中都未实际采用，但它还是有一些用处的。例如，在军事应用中，大批的路由器随时都可能被炸毁得所剩无几，所以非常希

望采用具有很结实的扩散方式。在分布式数据库应用中，有时需要并行地更新所有数据库，在这种情况下，扩散就非常有用。第三种可能的用途

是把它作为一种尺度来衡量其他路由选择算法。扩散总是选择最短路径，因为它并行地选择每一条可能的路径。所以，没有其他算法能产生一个

更短的延迟（如果我们忽略掉扩散过程本身产生的开销）。

3、距离向量路由算法（Distance Vector Routing）：

距离矢量路由算法（Distance Vector Routing，DV）是ARPANET网络上最早使用的路由算法，也称Bellman-Ford路由算法和Ford-Fulkerson算法，主要在RIP（Route Information Protocol）协议中使用。Cisco的IGRP和EIGRP路由协议也是采用DV这种路由算法的。
    “距离矢量路由算法”的基本思想如下：每个路由器维护一个距离矢量（通常是以延时是作变量的）表，然后通过相邻路由器之间的距离矢量通告进行距离矢量表的更新。每个距离矢量表项包括两部分：到达目的结点的最佳输出线路，和到达目的结点所需时间或距离，通信子网中的其它每个路由器在

表中占据一个表项，并作为该表项的索引。每隔一段时间，路由器会向所有邻居结点发送它到每个目的结点的距离表，同时它也接收每个邻居结点发来的距离表。这样以此类推，经过一段时间后便可将网络中各路由器所获得的距离矢量信息在各路由器上统一起来，这样各路由器只需要查看这个距

离矢量表就可以为不同来源分组找到一条最佳的路由。
    链路状态路由协议是目前使用最广的一类域内路由协议。它采用一种“拼图”的设计策略，即每个路由器将它到其周围邻居的链路状态向全网的其他路由器进行广播。这样，一个路由器收到从网络中其他路由器发送过来的路由信息后，它对这些链路状态进行拼装，最终生成一个全网的拓扑视图，

近而可以通过最短路径算法来计算它到别的路由器的最短路径。运行链路状态路由协议的路由器, 每台路由器公在其接口的状态发生变化时，才将变化后的状态发送给其他所有路由器，每台路由器都使用收到的信息重新计算前往每个网络的最佳路径，然后将这些信息存储到自己的路由选择表中。

链路状态路由算法背后的思想非常简单，可以用5个基本步骤加以描述。

1、发现他的邻接点，并知道其网络的地址。

2、测量到各邻接点的延迟或开销。

3、构造一个分组，分组中包含所有他刚刚收到的信息。

4、将这个分组发送给其他的路由器。

5、计算出到每一个其他路由器的最短路径。例如，每个路由器运行Dijkstra算法就可以找从它到每一个其他路由器的最短路径。

4、链路状态路由算法（Link State Routing）：

链路状态算法以图论作为理论基础，用图来表示网络拓扑结构，并利用图论中的最短路径算法来计算网络间的最佳

路由，因此链路状态算法又被称作最短路径优先算法SPF。

链路状态选路算法的工作原理如下

（1）在参与链路状态选路的路由器集合中，每个路由器都需要通过某种机制来了解自己所连接的链路及其状态。

（2）各路由器都能够将其所连接的链路的状态信息通知给网络中的所有其他路由器，这些链路信息包括链路状态、费用以及链路两端的路由器等。

（3）链路状态信息的通过链路状态分组（LSP）来向整个网络发布。一个LSP通常包含源路由器的标识符、相邻路由器的标识符，以及而知之间链路的费用。每一个LSP都将被

网络中的所有的路由器接收，并用于建立网络整体的统一拓扑数据库。由于网络中所有的路由器都发送LSP，经过一段时间以后，每一个路由器都保持了一张完整的网络拓扑图，

再在这个拓扑图上，利用最短通路算法（例如Dijkstra算法等），路由器就可以计算出从任何源点到任何目的地的最佳通路。

这样，每一个路由器都能够利用通路最短的原则建立一个以本路由器为根、分支到所有其他路由器的生成树，依据这个生成树就可以很容易地计算出本路由器的路由表

四、路由表查看：

使用下面的 route 命令可以查看 Linux 内核路由表。

# route

Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface

192.168.0.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 eth0

169.254.0.0 * 255.255.0.0 U 0 0 0 eth0

default 192.168.0.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 eth0

route 命令的输出项说明

输出项说明

Destination 目标网段或者主机

Gateway 网关地址，”*” 表示目标是本主机所属的网络，不需要路由

Genmask 网络掩码

Flags 标记

一些可能的标记如下：

U — 路由是活动的

H — 目标是一个主机

N — 目标时某个网段

G — 路由指向网关

R — 恢复动态路由产生的表项

D — 由路由的后台程序动态地安装

M — 由路由的后台程序修改

! — 拒绝路由

Metric 路由距离，到达指定网络所需的中转数（linux 内核中没有使用）。

Ref 路由项引用次数（linux 内核中没有使用）。

Use 此路由项被路由软件查找的次数。

Iface 该路由表项对应的输出接口。

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