浙江工業大學碩士學位論文 o b s 路由協議研究及應用 摘要 隨著密集波分復用( 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 ) 技術的成熟與 廣泛應用，通信網絡的傳輸容量已經能夠滿足各種業務的需求。光交換網絡以其高速高帶 寬的優勢成為未來電信網絡的主流，光突發交換( 0 b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c l l i n g ) 網正是 在這樣的背景下應運而生的。0 b s 結合了光路交換和光分組交換的優點，避免了它們的缺 點，具有很好的發展前景。本文主要研究o b s 路由協議，分為以下4 部分： 1 、介紹了光突發交換技術的相關知識和現有的一些典型路由協議。 2 、根據光突發交換網絡的特點，參考相關文獻，對一種典型的o b s 路由協議幀格式 進行修改，用v e r i l o gh d l 語言編程實現了4 類幀結構，并且在q u a r l u si i 軟件中，通 過模擬o b s 節點之間的通信，對這4 類幀的通信流程進行了仿真驗證，對仿真結果進行分 析和討論。 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 為基礎，在硬件層面上實現了上述 4 類o b s 路由協議幀，仿真了o b s 節點之間的交互通信情況，用示波器觀察結果，并且 對調試結果進行分析。 4 、對一項比較新的技術雙向檢測( 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 術進行了研究，該技術提供了一個通用的標準化的介質無關和協議無關的快速故障檢測機 制，提供小于1 秒的檢測時間，可以考慮用其替代現在常用的慢h e l l o 機制。 關鍵詞：光突發交換，路由協議，f p g a ，b f d 浙江工業大學碩士學位論文 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 慫d w d m t e c l 輪l o g ym a t u r ea n d 謝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 鉚o r k 、i ub e c o m e t h em a i n s t r e 鋤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 鋤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 仔鋤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 伊鋤4k i n d so ff 鋤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 舊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 行鋤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 丘鋤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 浙江工業大學碩士學位論文 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 浙江工業大學 學位論文原創性聲明 本人鄭重聲明：所提交的學位論文是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作 所取得的研究成果。除文中已經加以標注引用的內容外，本論文不包含其他個人或 集體已經發表或撰寫過的研究成果，也不含為獲得浙江工業大學或其它教育機構的 學位證書而使用過的材料。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中 以明確方式標明。本人承擔本聲明的法律責任。 作者簽名：琺。酶 日期：濺肛月7 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留 并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本 人授權浙江工業大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 1 、保密口，在年解密后適用本授權書。 2 、不保密日。 ( 請在以上相應方框內打“”) 作者簽名： 導師簽名： 求妨拓 。”州山 日期：? 年f 月 日期：許，瑚 目 日 1 ，7 f ， 浙江工業大學碩士學位論文 第1 章緒論 1 1 研究內容和研究意義 隨著d w d m 技術的成熟與廣泛應用，通信網絡的傳輸容量已經能夠滿足各種業務的 需求【1 3 】。但是，目前網絡節點的交換能力不足，成為限制當前網絡發展的一個瓶頸。為了 增加交換能力、降低交換成本，引入光交換技術勢在必行。 全光網絡是指光信息流在網絡中的交換、選路、傳輸和恢復等所有功能始終以光的形 式存在，而不需要經過光電、電光變換。由于全光網絡中的信號傳輸全部在光域內進行， 因此，全光網絡具有對信號的透明性。它具有如下優點：1 ) 提供巨大的帶寬。2 ) 與無線 或銅線比，處理速度高且誤碼率低。3 ) 采用光路交換的全光網絡具有協議透明性，即對 信號形式無限制。允許采用不同的速率和協議，有利于網絡應用的靈活性。4 ) 全光網絡 中采用較多無源光器件，省去了龐大的光電光轉換工作量及設備，提高網絡整體交換速 度，降低了成本，有利于提高可靠性。 根據交換粒度、交換方式、資源分配方式和控制信令傳輸方式的不同，可以將光網絡 中的交換方式分為以下三種類型： ( 1 ) 光路交換( o c s ：0 p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 技術，在光子層面的最小交換單元 是一個波長通道上的業務流量【4 1 。 ( 2 ) 光分組交換( o p s ：o p t i c a lp a c k e ts 謝t c h i n g ) 技術，以光分組包作為最小的交 換顆粒。 ( 3 ) 光突發交換( o b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 技術，采用數據分組和控制分組獨 立傳送，在時間和空間信道上都是分離的，它采用單向資源預留機制，以光突發包作為最 小的交換單元。 1 9 9 9 年紐約州立大學的c h u 眥i n gq i a o 和j s t u m o r 等人提出了光突發交換網絡的概 念，目前o b s 已經發展成為光交換網絡的一種主流技術【5 司。光突發交換以光突發數據包 為交換單位，通過在單獨的信道( 一般是單獨的波長) 中提前發送突發控制包( b c p ：b u r s t c o n t r o lp a c k e t ) ，以便預留相應的突發包所需的資源，后續核心節點在電域或光域處理控制 l 浙江工業大學碩士學位論文 信息，光突發數據包透明地( 全光) 到達目的節點，途經的中間節點不需要對它作任何識 別或者其他相關處理，只需要將其按預先配置的信息進行波長變換、延遲【7 1 。光突發數據 包是在入口邊緣節點由多個具有相同特性的分組( 如相同的目的節點地址或同類的服務質 量要求) 匯聚而成，并在出口邊緣節點完成解匯聚。o b s 的主要特點可以歸納如下： ( 1 ) 粒度適中：o b s 傳輸單元的大小介于光路交換和光分組交換之間； ( 2 ) 控制與數據信道分離：控制信息在分離的波長( 或信道) 上傳輸； ( 3 ) 單向預留：采用單向預留的方式分配資源。也就是說，源節點在開始發送突發 包之前，不需要等待來自于目的節點的回應消息； ( 4 ) 變長突發：突發包的長度是可變的： ( 5 ) 無光緩存：在光網絡中的中間節點可以不需要光緩存，突發包在經過中間節點 時沒有延遲。 與光路交換和光分組交換相比，o b s 具有以下顯著特點： ( 1 ) o b s 的交換單位是由若干i p 分組匯聚而成的數據突發包( b d p ：b u r s td a t a p a c k e t ) ，其交換粒度介于光路交換( 波長) 和光分組交換( 光分組) 之間。 ( 2 ) b c p 和b d p 完全分離：在空間域上，o b s 采用帶外信令方式，b c p 和b d p 利 用不同的信道傳輸。b c p 在中間節點上進行光電光轉換后，在電域進行處理，為b d p 預 留網絡資源以建立光通路，避免使用復雜的光邏輯器件。隨后到達的b d p 在中間結點進行 全光交換，不需要使用光存儲設備。在時間域上，b c p 提前b d p 一個偏置時間發送。偏 置時間保證中間節點有足夠的時間處理b c p ，并且降低了b c p 和b d p 之間的耦合度，b c p 和b d p 無需嚴格保持同步。 ( 3 ) o b s 采用單向預留協議為b d p 預約一條端到端的光路，即源節點不用等待資源 預留成功的確認信息就可以直接發送b d p ，因此提高了信道帶寬利用率，降低了數據端到 端的時延。 o b s 結合了o c s 和o p s 的優點，避免了它們的缺點。與o c s 相比，o b s 具有更高 的帶寬利用率，可以更好的支持突發性很強的i p 業務；與o p s 相比，o b s 的交換顆粒較 粗，因而處理開銷大為減少，o b s 對光存儲技術和光邏輯器件的要求降低，能夠在現有的 技術基礎上實現。所以o b s 具有很好的發展前景，很有可能在未來光互聯網中扮演關鍵角 色，已成為近年來光通信領域的研究熱點嗍。 路由技術在光突發交換網絡中占據重要的位置，它主要負責為b c p 尋找并建立一條擁 塞最小的路由，并在服務結束之后終止該連接。因此，在很大程度上影響著光突發交換網 2 浙江工業大學碩士學位論文 絡的性能。所以光突發交換網絡中的路由技術的研究具有十分重要的意義。 1 2 國內外研究現狀 光突發交換充分發揮了現有的光電子技術的特長，實現成本相對較低、非常適合于在 承載未來高突發業務的因特網中應用，超大容量的光突發交換機同樣可用于構建骨干網。 業務導向的網絡使得o b s 從技術研究階段走到了應用階段，這主要是o b s 技術結合 了光路交換和光分組交換的優點，可以提供透明的、可變粒度的、高效的數據傳輸，直接 滿足這種業務的需求，同時還具有較低的成本。基于這樣一種考慮，目前世界范圍內已有 數個o b s 網絡平臺在運行實際業務，尤其集中在網格計算( g r i da p p l i c a t i o n ) 方面，即所 謂的光網格( o p t i c “g r i d ) 或光子網格( p h o t o l l i cq i d ) ，以此來考察0 b s 網絡的性能【引。 在美國，m c n c 研究所在華盛頓地區運行著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 ) ，此網絡為城域網規模，連接了美國國家航空航天局( 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 ) 和美國國防高級研究計劃局的研究所，在這個網絡平臺上主要考察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 ) 業務【1 0 - 1 2 1 。此外，由北電網絡、西門子資助的第一個l o g b e 業務網 絡t r a n s l i 曲t s t a r l i g h t ( 主要用于網格計算) 中，也有o b s 的業務應用。在歐盟f p 6 項目 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，一共有六個歐盟國家參 加，參加者有運營商t e l e n o r ，有企業( 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 ) ，主要是為了探索利用o b s 和o p s 實現全業務的網絡，目前 正在應用語音、數據及視頻業務實際考察網絡的性能。此外，在歐盟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 倆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 ) 項目中，也有相當多的內容 是關于o b s 的實際業務應用。 在國內，北京郵電大學，北京大學，上海交通大學，電子科技大學，武漢郵科院等多 家單位都對o b s 網絡開展了詳細的研究。其中，北京郵電大學和上海交通大學合作，自 2 0 0 2 年起承擔了國家8 6 3 計劃關于o b s 技術的重點研究課題，經過兩年多的研究，在o b s 網絡的關鍵技術方面取得了巨大的突破，建立了國內第一個o b s 試驗平臺，并在此平臺上 初步實現對語音、數據及視頻業務的支持。2 0 0 5 年北京郵電大學又獲得了8 6 3 滾動經費的 支持，于2 0 0 6 年年初建成了標簽光突發交換( l o b s ) 網絡，將m p l s 技術融合進o b s 的控制平面，成功建立了一個具有4 個核心交換節點，3 個邊緣節點的具有基本網管系統 的l o b s 試驗網絡平臺，支持數據，語音，視頻會議等業務的接入。目前，該實驗室正在 跟日本l d i 研究所、英國e s s e x 大學等多家單位合作，進行o b s 擴展領域的研究。 浙江工業大學碩士學位論文 在產業界，光突發交換的領導廠商m a t i s s e 網絡公司在2 0 0 6 年推出e m e r b u r s t 光交換 系統，包括s x 一1 0 0 0 以太網業務節點，p x 1 0 0 0 光子節點和m a t i s s e v i e w 管理系統。 e t h e r b u r s t 是業界第一個光突發交換產品，專門針對城域網絡應用，可以支持l o g 6 4 0 g b p s 的交叉容量。該產品將以太網交換機的靈活性和d w d m 系統的巨大帶寬優勢結合到一起， 可以應用到i p t v 、商業以太網業務等需要高帶寬的場合。 1 3 主要工作和論文內容安排 本文主要研究o b s 網絡中的路由協議，論文分章節安排如下： 第二章介紹光突發交換技術相關知識，著重介紹路由方面的內容。 第三章根據光突發交換網絡的特點，參考相關文獻，對一種典型的0 b s 路由協議幀格 式進行修改。用v e r i l o gh d l 語言編程實現4 類幀的接收處理及發送，并且在q u a r n ，s i i 軟件中，通過模擬o b s 節點之間的通信，對這4 類幀的通信流程進行了仿真驗證，對仿 真結果進行分析和討論。 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 ，在硬件層面上實現了4 類 o b s 路由協議幀，仿真了o b s 節點之間的交互通信情況。用示波器觀察結果，并且對調 試結果進行分析。 第五章介紹b f d 技術，該技術提供了一個通用的標準化的介質無關和協議無關的快速 故障檢測機制，提供小于1 秒的檢測時間，可以考慮用其替代現在常用的慢h e l l o 機制。 第六章是論文的總結以及對下一步研究工作的展望。 4 浙江工業大學碩士學位論文 第2 章光突發交換網絡結構及典型路由協議 本章研究光突發交換網絡整體結構，并介紹已有的典型的路由協議。 2 1 光突發交換網絡結構 2 1 1o b s 體系結構 圖2 1 是一個0 b s 網絡的基本結構1 3 1 。o b s 網絡由若干邊緣節點和核心節點通過 w d m 鏈路連接組成。從層次上看，o b s 網絡可以分為接入網和o b s 核心網兩層1 4 】。接 入網由邊緣節點組成，用于連接傳統的i p 網絡和o b s 核心網，其主要功能是按照數據包 的目的地址和服務等級等信息，對數據包進行分類、緩存和封裝，組合成突發包，并產生 b c p ，b c p 中包含傳輸交換所必須的控制信息，如突發包的長度、偏置時間等，然后發送 給與之最鄰近的0 b s 核心節點。o b s 核心網是一個交換光網，主要基于光技術，執行傳 輸和底層交換功能。在網絡的出口處，邊緣節點將突發包拆卸，發送到其他子網或終端用 戶。 圈 數據包 圈 控制包 圖2 1 光突發交換網絡結構 2 1 2o b s 節點結構 o b s 節點分為邊緣節點和核心節點。 浙江工業大學碩士學位論文 1 、邊緣節點 邊緣節點分為入口邊緣節點和出口邊緣節點。 在入口邊緣節點，根據輸入i p 流的特性來決定b d p 的大小和偏置時間。包含出口地 址、偏置時間、b d p 大小和服務質量( q o s ：q u a l 時o fs e r v i c e ) 等信息的b c p ，提前于其 所對應的b d p 在分離的控制信道上發送，b d p 經過一個給定偏置時間后跟隨b c p 傳送。 在出口邊緣節點，b d p 被拆分成多個i p 包。邊緣節點的功能結構如圖2 2 所示【挎1 7 】。 圖2 2o b s 邊緣節點功能結構 2 、核心節點 圖2 3 為o b s 核心節點的功能結構。其中入口、出口光纖數均為n ，每根光纖支持的 波長數均為k + l ( 一個波長用于傳輸b c p ，另外k 個波長用于傳輸b d p ) 。用于傳輸b c p 的波長在網絡中間節點需要進行光電光轉換，在電域進行路由表查找、對光交換矩陣進 行控制、更新b c p 相應數據域等操作。而對于傳輸b d p 的波長信道來說，不需要進行光 電光轉換，整個交換和傳輸在光域內完成，保證了數據的透明性。由于中間節點只需要對 少量波長( 控制波長) 進行光電光轉換，然后在電域進行處理、控制光交換矩陣等，基 本可以消除電子瓶頸。 6 浙江工業大學碩士學位論文 光纖i 光纖n 圖2 3o b s 核心節點功能結構 光纖i 光纖n 2 2 路由協議介紹 近十年來，隨著計算機網絡規模的不斷擴大，路由技術在網絡技術中已逐漸成為關鍵f 部分。由于無須使用保護線路，具有線路利用率高、成本低等優勢，目前光互聯網的路由 技術傾向于在i p 層而非物理層進行。因此，各種基于p 的網絡層路由協議就成為光突發 交換網絡路由技術研究的重點。本節介紹幾種典型的路由協議，在此基礎上對0 b s 網絡路 由協議進行分析。 2 。2 。1 路由協議的分類 按照尋徑算法的不同，路由協議可分為距離矢量路由協議和鏈路狀態路由協議兩種 【1 8 - 1 9 1 。 1 、距離矢量路由協議 距離矢量( v - d ) 路由選擇算法可以確定到網絡中任意鏈路的方向與距離。相鄰路由 器之間周期性地相互交換各自的路由表備份，當網絡拓撲結構發生變化時，路由器之間也 及時地相互通知有關變更消息。在這種算法中，路由器不可能獲知整個網絡確切的拓撲結 構。概括地說，距離矢量算法要求每一個路由器把它的整個路由表發送給與它直接連接的 其他路由器，路由表中的每一條記錄都包括目標邏輯地址、相應的網絡接口和該條路由的 矢量距離等信息。當一個路由器從它的鄰居節點那里收到更新信息時，它將更新信息與本 身的路由表相比較，如果能從鄰居節點找到一條以前不曾知道的新路由或是一條比當前路 7 浙江工業大學碩士學位論文 由更好的路由時，路由器會對自己的路由表進行更新，將從自己到鄰居節點間的矢量距離 與更新信息中的矢量距離相加作為新路由的矢量距離。 2 、鏈路狀態路由協議 鏈路狀態路由協議是使用鏈路狀態算法創建整個網絡的準確拓撲，以計算路由器到其 他路由器的最短路徑，如0 s p f ，i s i s 協議等。與距離矢量算法不同的是，鏈路狀態算法 需要每一個路由器都保存一份最新的關于整個網絡的拓撲結構數據庫，因此路由器不僅清 楚地知道從本路由器出發能否到達某一指定網絡，而且在能到達的情況下，還能夠選擇出 最短的路徑以及使用該路徑將經過哪些路由器。 鏈路狀態算法使用鏈路狀態數據包( l s p ：l i n ks t a t ep a c k e t ) 、網絡拓撲數據庫、最短 路徑優先( s p f ：s h o n e s tp a t hf i r s t ) 路徑選擇算法和s p f 樹，最終計算出從該路由器到其 他目標網絡的最短路徑，這些路徑就構成了路由表。在算法中，需要給每個路由器一個唯 一的名字或標識。每個路由器都將鏈路狀態數據包發送給網絡上其他的路由器，鏈路狀態 數據包的內容包括該路由器通過哪些網絡與哪些路由器直接連接，以及相應連接的傳輸代 價等信息。 根據路由選擇協議是運行在一個自治系統( a s ：a u t o n o m o u ss y s t e m ) 的內部還是運 行在自治系統之間以連接不同的自治系統，路由選擇協議可以分為內部網關協議( i g p ： i n t e r i o rg a t e 、v a yp r o t o c 0 1 ) 和外部網關協議( e g p ：e x t e r i o rg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 。這里的自 治系統是指使用同一公共路由選擇策略和同一公共管理下的網絡集合。 內部網關協議是用于在自治系統內部交換路由選擇信息的路由選擇協議，如p 、 i g i 理、e i g r p 、i s i s 和0 s p f 等協議。外部網關協議是用于在自治系統之間交換路由選擇 信息的路由選擇協議，如b g p 協議等。 2 2 2 典型路由協議 一、邊界網關路由協議 b g p 是一種在t c p i p 網絡中完成域間路由計算的協議，它是一種外部網關協議，是 在多個a s 域內或是域間對分組傳輸的路由進行選擇和域間路由信息交換的協議。作為一 種標準的外部網關協議，b g p 的目的就是為了解決大型互聯網的路由選擇問題。 兩個可以在自治系統之間進行通信的b g p 相鄰節點必須存在于同一個物理鏈路上。位 于同一個自治系統內的b g p 路由器可以互相通信，以確保它們對整個自治系統的所有信息 都相同，而且通過信息交換后，它們將決定自治系統內哪個b g p 路由器作為連接點來負責 8 浙江工業大學碩士學位論文 接收來自自治系統外部的信息。 有些自治系統僅僅作為一個數據傳輸的通道，這些自治系統既不是數據的發起端，也 不是數據的接收端。b g p 協議必須與存在于這些自治系統內部的路由協議打交道，以使數 據能正確通過它們。 b g p 協議的路由刷新消息由“( 網絡號：自治系統路徑) ”所組成，每一個自治系統路 徑都是一系列自治系統的名字字符串，它記錄了通向最終目標所經過的網絡。b g p 協議的 路由刷新消息通過傳輸控制協議t c p 進行可靠傳輸。 兩個路由器之間最初的數據交換的依據是整個b g p 協議的路由選擇表。隨著路由表的 不斷變化，發送路由選擇刷新消息的次數也越來越多。與其他一些路由選擇協議有所區別， b g p 協議不要求對整個路由選擇表進行周期性刷新，運行b g p 協議的路由器保存了每一 個路由選擇表的最新版本。盡管b g p 協議保持通向特定目標的所有路徑的路由選擇表，但 在路由選擇刷新消息中僅僅說明最佳路徑。 b g p 可以實現3 種類型的路由選擇：域間自治系統的路由選擇、域內自治系統的路由 選擇和穿梭式自治系統中的路由選擇。 在不同自治系統的兩個或多個b g p 路由器間采用域間自治系統的路由選擇，在這種系 統中的對等路由器使用b g p 路由協議來維護一個一致的互聯網拓撲結構。不同a s 中的 b g p 相鄰節點必須屬于同一物理網絡才能通信。因特網是由a s 或者說是管理域所組成， 這種域很多是屬于研究機構、企業或其他一些社會實體，他們之間的相互連接構成了因特 網，而b g p 就為它們之間的相互通信提供路徑決策和選擇一條較優的路徑進行數據傳輸。 在同一a s 內的多個b g p 路由器采用域內自治系統路由選擇，在這種系統中的對等路 由器也使用b g p 路由協議來維護一個一致的互聯網拓撲結構。b g p 協議也常用來判斷哪 一個路由器是作為該a s 與外部a s 通信的服務提供者。既可以作為域問路由選擇協議也 可以用于域內路由選擇是b g p 協議的優勢所在。 兩個或多個b g p 對等路由器通過一個中間不使用b g p 協議的系統相互交換信息時， 將使用穿梭式自治系統中的路由選擇。b g p 必須能與用于任何內部a s 的域內路由協議交 互作用，以保證b g p 業務能成功地通過那個a s 進行傳輸。 二、內部網關路由協議 眾多i n t e m e t 服務提供商在自治系統間普遍使用前面介紹的外部網關路由協議，在自 治系統內部使用的路由協議都不盡相同，但都屬于內部網關協議。 1 、r i p 和i g r p 仂議 9 浙江工業大學碩士學位論文 路由信息協議( 對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 ) 是一種基于d v 算法的簡單動態 路由協議，主要用于小型網絡【2 0 】。v - d 算法的思想是這樣的：網關周期性地向外廣播路徑 刷新報文，主要內容是由若干( v d ) 序偶組成的序偶表。( v - d ) 序偶中，v 代表“向量 ( v e c t o r ) ”，標識該網關可以達到的信宿( 網絡或主機) ；d 代表“距離( d i s t a l l c e ) ”，指 出該網關去往信宿的距離，距離d 按照路徑上的路由段計數。其他網關收到某網關的( v - d ) 報文后，據此按最短路徑原則對各自的路由表進行刷新。它通過u d p 交換路由信息，每 隔3 0 秒向外發送一次更新報文( 將自己所有的路由表都發送給鄰居) 。如果路由器經過1 8 0 秒沒有收到來自對方端的路由更新報文，則將所有來自此路由器的路由信息標志為不可 達，如果在其后1 2 0 秒內仍未收到更新報文，就將該條路由從路由表中刪除。 舳使用跳數來衡量到達目的網絡的距離，路由器到與它直接相連網絡的跳數為o ， 通過一個路由器可達網絡的跳數為l ，其余依此類推。為限制收斂時間，p 規定m e t r i c 最大跳數為1 5 ，高于此的都不可達，這是限制砒p 不能用于大型網絡的主要因素。 對p 協議處于u d p 協議的上層，砒p 所接收的路由信息都封裝在u d p 的數據報中， r j p 在5 2 0 號端口上接收來自遠程路由器的路由修改信息，并對本地的路由表做相應地修 改，同時通知其他路由器。通過這種方式，達到全局路由的同步。 內部網關路由協議( i g i 強：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 ) 是一種在自治系統a s 中提供路由選擇功能的路由協議。在上世紀8 0 年代中期，最常用的內部路由協議是路由 信息協議( r j p ) 。盡管r j p 對于實現小型或中型同機種互聯網絡的路由選擇是非常有用 的，但是隨著網絡的不斷發展，其受到的限制也越加明顯。思科路由器的實用性和i g r p 的 強大功能性，使得眾多小型互聯網絡組織采用i g i 沖取代了砒p 。早在上世紀9 0 年代， 思科就推出了增強的i g r p ，進一步提高了i g i 沖的操作效率。 為具有更大的靈活性，i g r p 支持多路徑路由選擇服務。在循環( r o u n dr o b i n ) 方式 下，兩條同等帶寬線路能運行單通信流，如果其中一根線路傳輸失敗，系統會自動切換到 另一根線路上。多路徑可以是具有不同標準但仍然奏效的多路徑線路。例如，一條線路比 另一條線路優先3 倍( 即標準低3 級) ，那么意味著這條路徑可以使用3 次。只有符合某 特定最佳路徑范圍或在差量范圍之內的路徑才可以用作多路徑。 砌p 和i g r p 路由協議都是較早期推出的距離矢量路由協議，都存在一定的缺點，非 常不適于在大型網絡使用。隨著網絡規模不斷擴大，需要運行更加高效的路由協議。 2 、e i g r p 協議 增強的i g r p 協議( 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 開 1 0 浙江工業大學碩士學位論文 發的增強型版本的i g r p 路由協議，仍然屬于距離矢量路由協議，但是它卻又具有鏈路狀 態路由協議的一些特性，也維護鄰居表、拓撲數據庫，并且在它的拓撲數據庫中維護著多 條可選最佳路徑，如果最佳路徑失效，不用經過任何復雜的算法，e i g i 沖僅需要進行簡單 的比較之后就可以將冗余路徑提升為當前最佳路徑，并裝載到路由表中，這個特性使得 e i g r p 收斂速度非常快，并且支持在等開銷和非等開銷的路徑上進行負載均衡【2 1 之3 1 。 e i g r p 并不是定期發送路由更新信息，只有在拓撲結構有變化時才發送，并且也不是 發送整個路由表，而是只發送有變化的鏈路的狀態；并且e i g r p 并不是使用廣播發送路由 信息，而是使用組播，從而減少了帶寬的消耗。 盡管e i g i 沖在一定程度上進行了開放，但它最大的局限性仍在于它是c i s c o 公司特有 的路由協議，網絡必須都是c i s c o 的路由器，其他廠商生產的路由設備并不能在運行e i g r p 的網絡上正常工作。所以在城域網甚至是國家級的大型網絡上，并不適合運行e i g r p 路由 協議。 3 、i s i s 協議 i s i s 也是一種內部網關路由協議，用于在骨干網內部起連通骨干、選徑、負載均衡和 自動迂回的作用。i s i s 是在i s 0 1 0 5 8 9 中定義的，僅支持對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 網絡層協議，用于在無連接的鏈路上攜帶上層數據。集成 化的i s i s 是擴展版本的i s i s 協議，用于i s oc l n p 和i p 混合的環境中。既可用于單純 的i p 路由，又可用于單純的i s oc l n p 路由，還可用于兩者的混合路由。在鏈路狀態數據 包中使用t l v 參數攜帶信息，正是t l v 使得i s i s 可以擴展，并且可以在l s p 中攜帶不 同類型的信息。和o s p f 一樣，i s i s 也是使用組播發布路由更新信息，并且也是只有當鏈 路狀態有變化時才會發布路由更新，而不是定時地發送。 i s i s 主要有以下局限性： ( 1 ) i s i s 中沒有n b m a 網絡的概念。這樣i s i s 支持的網絡類型比o s p f 要少，沒 有o s p f 靈活，僅支持兩種物理鏈路：廣播特性多路訪問( 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 ) 的介質類型和點對點類型。 ( 2 ) 即使在純i p 路由的環境中，仍然需要配置c l n s 參數( 每個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來標識路由器) ，路由器仍然需要建立c l n s 鄰居關系( 即需要使用o s i 協議才能在路由器之間建立鄰居關系) ，并使用c l n s 數據包。 ( 3 ) i s i s 使用一個僅有6 b i t 的度量值，嚴重限制了與它進行信息交換的能力；而且 鏈接狀態也只有8 b i t 長，路由器能通告的記錄只有2 5 6 個。但現在的w i d e m e t r i c 使這個 1 1 浙江工業大學碩士學位論文 范圍變成2 4 位的擴展解決了這個問題。 ( 4 ) 一個非技術問題是i s i s 受o s i 約束，與o s p f 相比它的發展比較緩慢。 4 、o s p f 協議 o s p f 路由協議是由i n t e m e t 工程任務組( 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 中定義的，是一種基于s p f 算法的路由協議。o s p f 沒有使用路由器跳數，所以 對網絡直徑沒有限制【2 4 也6 1 。 o s p f 是一個開放標準，并不被某個設備廠商所獨自擁有，各個廠商生產的路由設備 只要支持該路由協議，就可以進行互操作。這也正是o s p f 被廣泛使用的原因之一。 ( 1 ) o s p f 的基本原理 因特網中包含許多稱為自治系統的路由域，即a s ，它是指一組使用統一的路由政策 ( 即路由協議) 互相交換路由信息的網絡f 2 刀。在a s 之間通常使用邊界網關協議b g p ，而 在每個a s 內部，通常使用o s p f 或i s i s 等協議。o s p f 是目前使用較多的協議。使用o s p f 協議時，所有的o s p f 路由器都維護一個相同的描述該a s 拓撲結構的數據庫，所述數據 庫中存放的是該a s 系統中每條網絡鏈路的狀態信息。每臺o s p f 路由器就是使用這個數 據庫的信息，采用s p f 算法( 也稱d i j k s 乜a 算法) 來計算從本路由器到達各目的網絡的最 短路徑。得到的最短路徑標明了到達各目的網絡地址的最佳下一跳路由器，將下一跳路由 器的i p 地址填入i p 路由表中。雖然每個路由器都是從自己的角度尋找到達各自目的網絡 的最短路徑，但由于它們都擁有相同的拓撲數據庫，所以最短路徑都是一致的。o s p f 協 議計算中使用的距離是一個無單位的度量值，它可以根據管理和技術的需求來選取，例如： 該值可以直接反映使用接口的實際費用或者是接口的網絡帶寬等。一般情況下，取1 0 8 除 以帶寬得到的值，如1 0 m 以太網鏈路度量值為1 0 ，l o o m 快速以太網的度量為l 。 o s p f 的實現包括以下4 個步驟： 1 ) 初始化形成端口初始信息。在路由器初始化或網絡結構發生變化( 如鏈路發生變 化、路由器新增或損壞等) 時，相關路由器會產生鏈路狀態廣播( 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 ) 數據包，該數據包里包含路由器上所有相連接的鏈路，即所有端 口的狀態信息。 2 ) 路由器間通過泛洪法( f l o o d i n g ) 交換鏈路狀態信息。各路由器一方面將其l s a 數據包傳送給所有與其相鄰的o s p f 路由器，另一方面接收其相鄰的0 s p f 路由 器傳來的l s a 數據包，更新自己的數據庫。 3 ) 形成穩定的區域拓撲結構數據庫。o s p f 路由協議通過泛洪法逐漸收斂，形成該區 1 2 浙江工業大學碩士學位論文 域拓撲結構的數據庫，這時所有的路由器均保留了該數據庫的一個副本。 4 ) 形成路由表。所有的路由器根據區域拓撲結構數據庫的副本采用最短路徑法，計 算形成各自的路由表。 ( 2 ) o s p f 結構模型 路由器要進行路由選擇，就必須維護一個路由表，o s p f 把路由表稱為路由數據庫 ( r o u t ed a t a b a s e ) 。由于o s p f 是基于鏈路狀態的路由協議，所以一旦發現某個路由器的 狀態發生改變，就要運行一次s p f 算法，產生新的路由，各個路由器更新路由數據庫。當 網絡的規模比較小時，計算一次路由很快完成；而在大型網絡中，根據o s p f 路由協議的 特點，如果整個網絡只有一個區域，每個路由器中存放的整個網絡的拓撲數據庫將會非常 大，一旦有某條鏈路狀態改變，將迫使區域內部的所有路由器都需要重新計算自己的最短 路徑樹，這將消耗六量的c p u 和內存資源。 所以在大型網絡中，通常會將整個網絡分成多個區域進行管理。分成區域后，如果有 鏈路狀態改變，則只有該區域內的路由器需要更新拓撲數據庫，并重新計算最短路徑樹， 而該區域之外的路由器卻不受影響，這樣就減小了鏈路狀態變化帶來的影響，而且減少了 需要傳送的鏈路狀態廣播信息，大大節省了網絡帶寬。因此，0 s p f 采用分層的模型。一 個a s 被o s p f 分成數個區域( 觚a ) ，各個區域之間存在層次關系的示例如圖2 4 所示。 圖2 4o s p f 層次結構示例 圖2 4 中每個虛線框就是一個區域，r o u t e r a 、b 、c 在區域o ，r o u t e m 、d 、e 在區 浙江工業大學碩士學位論文 域1 ，r o u t e r c 、f 在區域2 。其中，r o u t e r b 和c 都同時屬于兩個區域，這樣的路由器稱 為區域邊界路由器( a b r ：a e a rb o r d e