第4章 IP路由选择算法

3.扩散法的抑制措施
可以采用两种方法来抑制重复分组的数 目： 计数器法 序号登记法。
(1)计数器法
在每个分组的头部设置一个计数器。分 组每经过一个路由器，计数器就自动加1。 当计数器的当前值达到规定值时(如达到 网络两端可能的最大跳数)，就将该分组 丢弃。
(2)序号登记法
源路由器在每个分组中设置一个序号，当分组 经过路由器时，路由器就把该序号在登记表中 登记，当分组再次经过该路由器时，路由器就 不再转发它了。 由于每个分组的序号全局有效，因此路由器的 登记表可能会无限制地增长，这样会占用路由 器的存储空间，同时也会降低查表效率。 为了防止登记表过大，可以采取如下措施：为 每个表增加一个参数k，k相当于一个门限值， 表示序号≤k的分组已经登记过，因此不用在表 中保存，从而节省空间。
本章提要
我们从第一章已经看到，IP分组的处理过程主 要包括两部分内容，即IP分组的封装/拆装和IP 分组的路由选择。IP分组的封装与拆装是IP层 按照IP层的下层协议和IP上层协议规范进行的 PDU格式转换。IP路由选择指的是将源主机发 送的IP分组按照一定的策略规则传送给目的主 机的过程。 由于网络构型的不同、路由策略的不同、路由 信息类型的不同，致使IP路由选择是比较复杂 的。因为IP路由性能严重影响着网络的整体性 能，所以，本书用较大篇幅讲述与IP路由选择 相关的内容，主要包括IP路由选择算法和协议。
路由选择必须考虑的因素有2个：网络的通信 量和网络的拓扑结构。 路由选择算法必须随时掌握网络的拓扑结构， 因为拓扑结构反映了网络中路由器的连通性， 任何路由选择算法都不能选择一个不工作的路 由器作为数据的下一跳路由器。 因此，路由选择算法的分类就根据其对网络通 信量和拓扑结构变化的适应能力做出。
路由选择策略分类
d(A ，r)，若路由器 r 与 A 相邻 D(r)= ∞，若路由器 r 与 A 不相邻
Dijkstra算法（续1）
第2步：取一个不在T中的路由器x，使D(x)值 最小(由近及远地进行，例如路由器B)。把x放 入T，然后对所有不在T中的路由器r，用D(r)和 D(x)+d(x，r)中较小的值去替换原D(r)值，即 D(r)=Min(D(r)，D(r)+d(x，r)) 上式的物理意义是：路由器r到A的距离可能由 于经x而变小，若是这样，就用经过x的值作为r 到A的距离，相应地，x也处于r到A的最短路径 中了，且x是r的父节点。
2.最短路径的含义
最短路径是指根据某个度量指标计算出的两个 路由器之间的捷径。度量指标不同，两个路由 器之间最短路径往往会不同。度量指标可以包 括： (1)两个路由器之间的跳数 (2)地理距离(公里数) (3)信道带宽 (4)平均通信量 (5)通信开销 (6)队列平均长度 (7)延时
3.路由表的生成
3.定量分析
如图4-3所示，路由器之间链路上的数值 表示容量cij(以bit/s为单位)，表的单元格 中数据表示路由器之间链路上的流量 fij(以分组/s为单位)和从源路由器到目的 路由器的路由。例如从B到D的流量是3分 组/s，路由是BFD。表中的路由是由初始 路由算法得出的。
图4-3 算法示例条件值
1.基本思想
基于流量的路由选择算法假定网络中每对路由 器之间平均数据流量是相对稳定的和可预测的， 然后通过对流量的定量分析，再对某个路由选 择进行优化(这个路由选择先由其他某个路由 选择算法给出)。 定量分析的基本作法是：对某一给定的链路， 如果已知平均流量和载荷量，那么就可以由排 队论原理计算出该链路上的平均分组延时。再 由所有链路的平均延时，可直接计算出流量加 权平均值，进而得到整个网络的平均分组延时。 基于流量的路由选择就是要找出网络最小延时 的路由。
C(9,B)
C(9,B)
Dijkstra算法
以D(r)代表A(源路由器)到路由器r的距离， 其值为A与r之间某条路径上路由器之间 距离之和。以d(i，j)代表路由器i与路由 器j之间距离。求解以A为根节点的最短 路径树的算法如下： 第1步：初始化。令T表示最短路径树节 点集合，初始时T={A}。定义：
目的 A A 9 B BA 源 B 20 A 20 E 50 (a) F 20 20 D 10 20 C 10 10 7 E EA 4 F EFA 2 EFB 4 FB 3 EC 2 FEC 3 ECD 4 FD (b) 5 FE 5 EF 4 C CBA D
1 DEBA
B 9 AB
C 4 ABC 8 BC
4.1.3扩散法 扩散法
1.基本思想 扩散法的基本思想是：当某个路由器收 到一个不是发给它的分组时，就向所有 相邻的路由器转发该分组(发送该分组的 路由器除外)，称这种转发为扩散 (flooding)。
2.特点
当网络的通信量很小时，扩散法可使分组的传 输延时达到最小。 同时，会存在许多条路由供分组使用，而且会 有一条是最佳的。因此扩散法具有很好的稳健 性。 但是，扩散法存在一个显著的特点：网络中存 在大量重复分组——这是其可靠性的代价。重 复分组的数目会呈几何级数增长，如果不采取 抑制措施，会导致网络出现拥塞现象。
Dijkstra算法（续2）
第3步：重复第2步，直到将所有的路由 器都放入T。
说明
图4-1的(b)→(f)就是Dijkstra算法执行过 程的中间结果，随着路由器加入到最短 路径树中，代表它的圆点由空心变为实 心，以A为根的最短路径树和A中的路由 表如图4-2所示。
图4-2最短路径树计算与路由表
B (1) A (0) (3) G H E (2) F (4) C 目的路由器 (6) (5) D A B C D E F G H (b)A的路由表 下一跳路由器 B B B B B B B
(a)最短路径树，数字代表加入T的顺序
小结
(1)在第2步中，要注意将与某路由器相邻的所有路由 器都要放入T中，例如处理完G后，还要依次处理F。 (2)路由选择算法的核心任务是要确定下一跳路由器， 从图4-2可以看出：以A为源路由器的最短路径中的路 由器具有相同的下一跳路由器。 (3)路由表的生成由两大步骤完成，第一是求解最短路 径树，第二步是由最短路径树得出A到各路由器的下一 跳路由器。 (4)由例子中可以看出，B是A到所有路由器(除A以外) 的下一跳路由器，也就是说所有由A转发的分组都要经 过B，如果通信量变化较大的话，B很可能不堪重负而 发生拥塞，进而影响网络的传输性能，可见最短路径 法在通信量不平稳时不好。
路由选择算法
根据路由选择度量指标的不同，路由选 择策略可以由多种具体的算法实现。 常用的静态路由选择策略包括最短路径 法、扩散法和基于流量法。 动态路由选择策略包括距离矢量法和链 路状态法。
4.1.2最短路径法 最短路径法
1.基本思想 在最短路径法中，数据沿着到目的网络 的最短路径传送。每个路由器有一张路 由表，表中包含去往任一目的路由器的 下一跳路由器的地址和距离等路由信息。 路由表在整个网络初始化配置时生成， 并且在此后的一段时间内保持固定不变。 当网络通信量相对稳定且拓扑结构固定 不变时，采用最短路径法是最好的。
4.1.4 基于流量的路由选择
前文介绍的两个有代表性的算法是针对网络拓 扑结构设计的，在路由选择时没有考虑通信量 的影响。这类路由选择算法会把大量的通信量 汇集到最短路径的某一段上，尽管别的路径很 “空闲”，例如图4-2中，A到B的通信量很大， 从A到C的分组仍然要走路径ABC，而不走 AGEFC，尽管AGEFC很可能要比ABC空闲。 可见，好的路由选择策略既要考虑拓扑结构又 要兼顾通信量。下面，我们介绍这样的一种算 法—基于流量的路由选择(flow-based routing)。
D
1 ABFD
E 7 AE 2 BFE 3 CE 3 DCE
F 4 AEF 4 BF 3 CEF 4 DF
3 BFD 3 CD
8 CB 3 DFB 3 DC
定量分析的步骤
第1步：计算链路总流量λi。 下面由fij来计算链路i的总流量λi。 注意： (1)链路i的总流量λi是指各路由经i的流量之和。 例如链路AB的总流量 λAB=9(A→B)+4(A→C)+1(A→D)=14，即λ∑ f i= (2)链路是有向的，即AB和BA是两条链路。本 例中流量是对称的，即XY流量与YX流量相等。 链路的总流量如表4-1所示(8个链路)。
4.1路由选择策略及算法 路由选择策略及算法
发送主机经过域名解析处理得到了目的 主机的IP地址，接下来要做的工作是发 送IP分组。但在发送前必须要知道将IP 分组发给哪个路由器(我们称这样的路由 器为下一跳路由器)。确定下一跳路由器 的工作由路由选择算法和协议完成。
4.1.1路由选择策略 路由选择策略
第4章 IP路由选择算法
本章提1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 路由选择策略 最短路径法 扩散法 基于流量的路由选择 距离向量路由选择 链路状态路由选择
4.2 特殊的路由选择策略
4.2.1 分级路由选择 4.2.2 移动主机的路由选择 4.2.3广播路由选择 4.2.4组播路由选择
在最短路径法中，任一路由器都要知道去往其 他路由器的下一跳路由器(当然其他算法也要 这样，区别在于确定下一跳路由器的方法不 同)。 根据图论原理，网络中的路由器必然是一棵最 短路径树的节点(源路由器是根节点)，所以制 作某个路由器中路由表的实质是求解以该路由 器为根节点的最短路径树。 下面，我们介绍Dijkstra提出的方法，如图4-1 所示。已知网络拓扑和路由器之间距离，我们 求以A为根的最短路径树。
2.实施基于流量路由选择的条 件
从基本思想可以看出，基于流量的路由选择必 须具有以下已知信息，才能给出正确的路由。 (1)网络的拓扑结构：有了它，才能知道链路的 数量。 (2)路由器i和j之间的流量fij。 (3)路由器i和j之间链路的载荷(容量)cij。 (4)初始路由算法：给出待优化路由。 在流量和拓扑结构相对稳定的场合，这些条件 容易满足的。这也正是静态算法适用擅长的场 合，也是把该算法作为静态算法的原因。