第十六讲 网络层之二：路由选择算法
计算机网络网络层路由算法
计算机网络网络层路由算法网络层是计算机网络中的一个重要层次，负责提供节点之间的数据传输服务。
网络层的核心任务是进行路由选择，即根据不同的路由算法选择最佳的路径来传输数据包。
本文将介绍常见的几种网络层路由算法，并对其进行分析和比较。
1.静态路由算法静态路由算法是指路由表在网络建立之初静态地配置好，不会随着网络的变化而改变。
常见的静态路由算法有默认路由、固定路由和策略路由等。
静态路由算法的优点是简单易懂，配置方便，适用于网络规模不大且变动较少的场景。
但是缺点是无法适应网络拓扑的变化，不利于负载均衡和故障恢复。
2.距离向量路由算法距离向量路由算法是一种分布式路由算法，具有良好的自适应性和容错性。
每个节点只知道与其相邻节点的距离，通过交换距离向量表来实现路由选择。
常见的距离向量路由算法有RIP（Routing Information Protocol）和IGRP（Interior Gateway Routing Protocol）等。
距离向量路由算法的优点是实现简单，计算量小。
但是缺点是不能解决环路问题和计数到无穷问题，容易产生路由震荡。
3.链路状态路由算法链路状态路由算法是另一种分布式路由算法，采用全局信息来计算最佳路径。
每个节点需要发送链路状态信息给其他节点，并根据收到的信息构建全局拓扑图，再利用迪杰斯特拉算法等来计算最短路径。
常见的链路状态路由算法有OSPF（Open Shortest Path First）和IS-IS（Intermediate System to Intermediate System）等。
链路状态路由算法的优点是计算准确，能够解决路由环路和计数到无穷问题。
但是缺点是占用较大的计算和存储资源，并且对网络中的链路状态信息要求较高。
4.路径向量路由算法路径向量路由算法是一种结合链路状态和距离向量的路由算法。
每个节点维护到其他节点的路径向量表，并通过交换路径向量表来更新路由信息。
常见的路径向量路由算法有BGP（Border Gateway Protocol）等。
计算机网络中的路由选择算法
计算机网络中的路由选择算法计算机网络是由许多相互连接的计算机组成的系统，这些计算机之间需要进行通信才能完成相应的任务。
路由选择算法是计算机网络中的核心算法之一，它是决定将数据从一个网络节点传送到另一个网络节点的基础。
路由选择算法的作用就是找到从源节点到目的节点的最佳路径。
1. 路由选择算法的作用路由选择算法是计算机网络中最重要的算法，它的作用是将数据从源节点传输到目的节点。
在计算机网络中，不同的节点之间可能有多个路径可供选择，每个路径的传输速度也不同，路由选择算法的作用就是找到最佳的路径。
2. 常用的路由选择算法2.1 静态路由选择算法静态路由选择算法是一种固定的路由选择算法，它的路径是固定的，不会根据网络条件变化而改变。
这种算法比较简单，可以用于小型的网络，但是在大型的网络中使用会产生问题。
2.2 动态路由选择算法动态路由选择算法是一种根据网络条件实时调整的算法，它可以根据网络拓扑、网络流量等情况进行动态调整，从而找到最佳路径。
动态路由选择算法比静态路由选择算法更加灵活，适合用于大型的计算机网络。
2.3 链路状态路由选择算法链路状态路由选择算法是一种基于每个节点了解整个网络的拓扑和延迟信息，通过 Dijkstra 算法计算得到最短路径。
链路状态路由选择算法的算法复杂度较高，但是可以得到最优解。
链路状态路由选择算法适用于小型的网络，由于算法复杂度较高，无法用于大型的复杂网络中。
2.4 距离向量路由选择算法距离向量路由选择算法是一种基于每个节点了解相邻节点的距离信息，通过 Bellman-Ford 算法计算得到最短路径。
距离向量路由选择算法的算法复杂度较低，但是容易出现局部最优解。
距离向量路由选择算法适用于复杂的大型网络中。
3. 路由选择算法的应用路由选择算法在计算机网络中有着广泛的应用，它可以保证数据从源节点到目的节点的快速传输。
在实际应用中，如果路由选择算法不合理，将会导致网络拥堵、数据丢失等问题。
路由选择算法PPT课件
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2021/5/21
后继结点向量 S i
s i1
Si
si2
s
iN
S kj i
使每个结点[dki dij]最小
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如下图1所示网络，图2是更新前结点1的路由 表
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2021/5/21 16
2021/5/21
1、路由表中给出了结点1的两个向量 D
2021/5/21
路由（径）选择——根据一定的原则和算 法在所有传输通路中选择一条通往目的结点的 最佳路径。
路由选择算法——路由选择过程中采用的 策略。
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路由选择算法分类
2021/5/21
1、根据能否适应通信量和拓扑结构变化
非自适应（静态路由）：可靠性差、简单
自适应（动态路由）：实现复杂、可靠性高— —实用
路由选择及其算法
2021/5/21
通信子网为网络源节点和目的节点提供了 多条传输路径的可能性。网络节点在收到一个 分组后，要确定向一下节点传送的路径，这就 是路由选择。在数据报方式中，网络节点要为 每个分组路由做出选择；而在虚电路方式中， 只需在连接建立时确定路由。确定路由选择的 策略称路由算法。
1
Mi nd1 33
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2021/5/21
计算 d15 最小值
1 2 3 5 1 2 4 5 1 3 5 1 4 5
Mi nd1 52
d15 d12 d23 d35 6 d15 d12 d24 d 45 5 d15 d13 d35 6 d15 d14 d45 2
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例：
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一旦结点C与结点E之间断开，则结点C向结 点A反馈信息，通过其他路径进行通信。
路由选择的原理
路由选择的原理路由选择是指在计算机网络中，根据特定的算法和策略来确定数据包从源主机到目的主机的路径选择。
路由选择的原理可以通过下面的内容来解释。
1. 距离矢量路由选择（Distance Vector Routing）：- 每个路由器根据自己所知道的到达目的地的最短路径距离发送更新信息。
- 路由器之间以周期性、递增的方式交换距离矢量信息，直到达到稳定状态。
- 路由器通过比较邻居的距离矢量信息以及加入整个网络的信息，选择最佳路径。
2. 链路状态路由选择（Link State Routing）：- 每个路由器将自己相连的链路状态信息广播给整个网络。
- 路由器通过收集来自邻居的链路状态信息以及自身的链路状态信息，在路由计算中构建网络的拓扑图。
- 根据拓扑图，每个路由器使用最短路径优先算法（如Dijkstra算法）来确定最佳路径。
3. 路由选择算法（Routing Algorithms）：- 数据包根据特定的路由选择算法在网络中传输。
- 常见的路由选择算法包括最短路径优先算法、距离矢量算法、链路状态算法等。
- 这些算法根据网络的特性、需求和性能考虑，选择最佳的路径来传输数据。
4. 路由选择策略（Routing Policies）：- 路由管理员通过制定特定的路由选择策略来影响路由选择过程。
- 路由选择策略可以基于多种因素，如路由器的负载、链路的带宽、成本等来选择路径。
- 通过调整路由策略，可以优化网络的性能、提高安全性等。
总的来说，路由选择是根据路由选择算法和策略来确定数据包的最佳路径。
这是一个根据网络状况、拓扑结构、需求等因素进行决策的过程，以确保数据能够快速、安全地传输到目的地。
计算机网络中的路由选择算法分析
计算机网络中的路由选择算法分析随着计算机网络的快速发展和广泛应用，路由选择算法作为网络通信中的重要组成部分，对于网络的性能和效率起着至关重要的作用。
本文将分析计算机网络中常用的三种路由选择算法，分别是距离向量路由算法、链路状态路由算法和路径矢量路由算法。
距离向量路由算法是最早出现的一种路由选择算法，也被称为贝尔曼-福特算法。
该算法以每个节点为单位，通过交换节点之间的距离向量，以确定最佳路由路径。
距离向量路由算法的主要思想是根据节点之间的距离，在整个网络中找到最佳路径。
每个节点通过与邻居节点交换路由信息，并计算出到达目标节点的最小距离，这样就能确定路径的选择。
然而，距离向量路由算法由于其需要周期性地广播整张路由表，容易造成网络拥堵和路由信息的收敛延迟。
此外，距离向量路由算法没有考虑到链路的质量和拥塞情况，因此在大型网络中的效果较差。
链路状态路由算法被广泛应用于大型计算机网络中，它通过收集网络中各个节点链路的状态信息，计算出整个网络的最优路径。
链路状态路由算法的核心思想是每个节点都维护一个链路状态数据库，记录了网络中所有节点的链路状态信息，并通过链路状态广播协议将信息传递给其他节点。
每个节点将收到的链路状态信息进行计算，更新自身的路由表，并选择最佳路径。
这种算法具有更好的网络收敛速度和路由选择能力，且能够适应网络拓扑的动态变化。
然而，链路状态路由算法的计算复杂度较高，占用大量的计算和存储资源，在中小型网络中应用相对较少。
路径矢量路由算法是距离向量和链路状态算法的结合，通过将距离向量和路由向量进行结合，既考虑到节点之间的距离，也考虑到链路的状态信息。
路径矢量路由算法中的每个节点维护一个路由向量，记录了到达目标节点的最佳路径和距离。
路由向量中的每个条目包含两个部分：下一跳和距离。
下一跳是指到达目标节点的下一个节点，而距离表示到达目标节点所需的代价。
这种算法的主要优势是相对于距离向量算法，其收敛速度更快，并且相对于链路状态算法，其计算复杂度更低。
路由选择算法分析
该方法常用于军事网络等强壮性很高的场合， 即使有节点被破 坏，只要在源节点和目的节点之间存在一条线路，扩散路径算法仍能 保住数据的可靠传输。 这种方法也可以用来测试网络的最短路径已经 最短传输延迟测试。 无线网络中也广泛使用扩散路径法，使得位于一 个站无线覆盖范围中所有的站都能接收到该站的信息。
人格尊严，这种压抑心理如果长时间得不到释放, 就可能发展为明显 的对城里人的仇视和敌意（康来云，2004 ）。 体育参与具有教育和约束
人类规范等功能，同时，较多数量的体育参与时间可以占领外来人口 子女较多的闲暇时间，使潜在越轨和犯罪者能用与越轨和犯罪的时间 减少；外来人口人均体育投入越多，越轨、犯罪率越低。 同时，体育活动 的参与，还可以培养外来人口学生自强不息、奋斗拼搏的进取精神，它 可以迁移到人们生活的其他领域。 而如果我们放任这些外来人口子 弟，让他们缺少学习和进行体育活动的环境，只会越来越将他们边缘 化，也会让他们在幼小的心灵里，烙下不公平的印象，而扭曲他们的心 灵，从而留下隐患。
者父母面前大多是非常友善，非常听话的人，为什么到了城市后变得 如此残忍？ 很大程度是因为首先他们学历层次非常低，很多连小学都 没有毕业，来到城市后缺乏求生技能；其次则是乡村与城市巨大的落 差；还有就是城市对外来人口的排斥。 越来越大的贫富差距，城市和农 村之间的差距越拉越大的现实，导致很多社会问题的产生。 对于社会 其他阶层来说，坐视弱势群体的利益受损而无动于衷的话，是相当危 险的举动。 这最弱势的一群在被剥夺殆尽之后，很容易转化为最无畏、 最危险的一群。 事实上，任何一个国家如果不能对国家中最弱势的群 体利益加以维护的话，都无助于社会的稳定，与和谐社会的建立。 根据 康来云的研究，绝大多数外来人口工作环境封闭，这种封闭的工作圈 子限制了他们的视野，影响了他们的认知水平，使得许多外来人口虽
计算机网络网络层路由算法PPT课件
精选课件
18
广播路由
同时给全部的目标地址发送一个 数据包称为广播
扩散法。
多目标路由：每个数据包含一组 目标地址，经过路由器，针对目 标选路，目标分散
逆向路径转发（reverse path forwarding)
沿汇集树（sink tree）生成树
类似的值。
假设使用延迟作为距离度量，并且路由器知道他到 每个邻居的延迟。每隔T秒每个路由器向他的每个 邻居发送一个表，该表记录了它到每个目标的延迟， 同时它也从邻居那里收到一个类似的表。
精选课件
7
交换距离信息更新路由表示例
精选课件
8
无穷计算问题
A BCD E
A BCD E
∞∞∞ 1 ∞∞ 12∞ 123 123
reverse routes.
路径维护
每个节点周期性的广播一个 HELLO消息并期望它的邻居 做出回应，如果回应没有到 来说明消息广播者已经知道 它的邻居已失效或离开接收 范围，因而不再跟自己有连 接。这些信息用来清除掉那 些不再有效的消息。
精选课件
31
在最近的T时间内曾经给它发送 过到达该目标的邻居—该目标的 活动邻居
（a）
∞ 初始时
1
∞ 第1次交换后 3
∞ 第2次交换后 3 ∞ 第3次交换后 5
4 第4次交换后 5
7
7
∞
23 23 43 45 65 67 8... 7 ∞∞
（b）
4 初始时 4 第1次交换后 4 第2次交换后 4 第3次交换后 6 第4次交换后 6 第5次交换后 8 第6次交换后
∞
问题的核心在于当X告诉Y自己有一条通往某个地方的路径
路由选择算法分类
路由选择算法分类路由选择算法是指在计算机网络中，根据一定的策略选择最佳的路由路径，以实现数据包的传输。
根据不同的策略和算法，路由选择算法可分为静态路由选择算法和动态路由选择算法。
静态路由选择算法是指在网络中，路由器的路由表是静态配置的，不会根据网络拓扑的变化而自动更新。
常见的静态路由选择算法有默认路由、静态路由和策略路由等。
默认路由是指当路由表中找不到与目标地址匹配的路由条目时，将数据包发送到默认网关进行转发。
默认路由的配置简单，适用于规模较小的网络环境。
但是，由于所有数据包都经过默认网关，容易造成网络拥堵和单点故障。
静态路由是指管理员手动配置路由器的路由表。
管理员需要根据网络拓扑和流量情况，手动配置每个路由器的路由表，以确保数据包能够按照预期的路径进行转发。
静态路由的配置灵活，适用于稳定的网络环境。
但是，随着网络规模的增大，静态路由的配置工作量将会变得非常繁重，且不易应对网络拓扑的变化。
策略路由是指根据不同的策略选择最佳的路由路径。
策略路由可以基于源地址、目标地址、服务类型等多个因素进行路由选择。
管理员可以根据网络需求和优先级，通过配置策略路由来实现更灵活的路由选择。
策略路由的配置复杂，但可以根据实际需求灵活调整路由路径，提高网络性能和可靠性。
动态路由选择算法是指路由器根据网络拓扑和链路状态信息，自动计算最佳的路由路径。
常见的动态路由选择算法有距离向量路由选择算法和链路状态路由选择算法。
距离向量路由选择算法是一种分布式的路由选择算法，每个路由器根据相邻路由器发送的路由信息，计算到达目标地址的最短路径。
距离向量路由选择算法使用了距离向量（即距离和下一跳路由器）来描述路由信息。
常见的距离向量路由选择算法有RIP（Routing Information Protocol）和IGRP（Interior Gateway Routing Protocol）。
链路状态路由选择算法是一种集中式的路由选择算法，每个路由器需要向网络中的其他路由器发送链路状态信息，并计算最短路径树。
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7
A
1
B 1C
8
2
E2D
DE(A,D) = c(E,D) +DD(A, w) = 2+3 = 5
DE(A,B)＝14 ？
Cost to destination via
DE() A B D
A 1 14 5 B 785 C 694 D 4 11 2
Байду номын сангаас
2.DV算法
主要数据结构：每个节点维护的距离表(distance table)。 •一个节点能得到的信息
与其直接相连链路的成本 来自邻接节点。
• DV算法 估算的延迟作为性能指标 Bellman-Ford算法的一个版本
Bellman-Ford算法： 已用于BGP、ISO的IDRP、Novell IPX和最早的ARPAnet
Distance Vector (DV) Algorithm. At each node, X:
Cost via DY X Z X 28 Z 91
Cost via DZ X Y X 73 Y 91
Cost via DX Y Z Y 28 Z 37
Cost via DX Y Z Y 24 Z 51
Cost via DX Y Z Y 73 Z 91
3.相关问题
• DV算法：链路成本变化及链路故障
包交换网络中的路由技术元素
性能标准
网络信息源
网络信息更新时间
跳计数 成本 延迟 吞吐量
None Local Adjacent node All nodes
连续 定期 主负载变化 拓扑变化
决策时间
包（数据报） 会晤（虚电路）
决策地点
每个节点（分布） 中心节点（集中） 原始节点（源）
3.性能标准
最小跳计数(minimum-hop)标准：
(, -)
(2,A)
B (4,B)
A
E
G (6,A)
(2,A)
B
(4,B)
A
E
G (5,E)
(9,B)
C
选择当前工作节点B
F (, -) D (, -)
H
标值其他节点到源的距离
(, -)
(9,B)
C
选择当前工作节点E
F (6,E) D (, -)
H
标值其他节点到源的距离
(, -)
(2,A)
B (4,B)
•无信息(扩散法) 无更新之说
•局部信息 更新基本上是连续的。
•其他信息源(邻接节点，全部节点)
固定策略
自适应策略
从不更新信息
不时更新信息
二.静态路由算法
1.最短路由选择
•测量路径长度的方法
最小跳计数 最短距离 信道带宽 传输延迟 平均通信量
子网图：节点代表路由器； 弧线代表两个路由器之间的一条链路;
• Dijkstra算法 找出一个节点到所有其他节点的最短路径.
例：使用Dijkstra算法计算AD的最短路经
B
7
22
A
E2
6
14
G
C
3
3
F
D
22
H
测量每一条链路的长度 初试化
(2,A)
B
(, -)
A
E
(, -)
C
选择当前工作节点A
F (, -) D (, -)
G
H
标值其他节点到源的距离
(6,A)
集中式路由 源路由
为每个包单独作路由决策
当建立虚电路时作路由决策
每个节点都负责为到达 的包选择一条输出链路 由某些指定节点(如网络 控制中心)负责决策 路由决策实际上由源 站点而非网络作出。
5.网络信息源和更新时间
大多数路由决策要求根据网络拓扑、交通负载和链 路成本等知识作出决定。
信息更新时间：这是信息源和路由决策的函数
Y
的
Cost via
Cost via
距 离
DY
X
Z
DY X Z
DY
表X 46
X 16
X
1 4
X
Cost via
XZ
16
Y 1 Z
50
Cost via DY X Z
X 13
Z 的 距
DZ
Cost via
XY
离 表
X
50 5
Cost via DZ X Y X 50 5
C(X, Y)
time
changed
迭代的(iterative)
计算过程循环进行，直到相邻 节点没有可交换的信息为止。
异步的(asynchronous)
并不要求所有节点相互锁步操作。
考虑X经直接邻居Z到达Y。
设：Dx(Y, Z)：为X经邻接节点Z到达y的距离
Dx(Y,Z) = c(X, Z) + minw{Dz(Y, w)}
(1)
其中w为Z的所有直接邻居(包括X)
•自适应路由的前提：节点间交换网络状态信息
•缺点
路由决策复杂 依赖于状态信息 不能太快和太慢
加重网络节点的处理负担 加重网络的交通负担
•优点
可提高网络性能 有助于拥塞控制
2.路由算法的特性
•正确性(correctness) •简单性(simplicity) •健壮性(robustness) •稳定性(stability) •最优性(optimality) •公平性(fairness) •有效性(efficiency)
X 4 X 60 X 60 X 60 51 X 60 51
Cost via
Cost via
Cost via
Cost via
Cost via
DZ X Y DZ X Y DZ X Y DZ X Y DZ X Y
X 50 5 X 50 5 X 50 61 X 50 61 X 50
C(X, Y)
time
changed
t0
t1
t2
t3
t4
水平分裂法的失败情况
1
A
1
C
A通知C到D的距离为；
B
B通知C到D的距离为；
1 当C-D链路失效后，C到D不可达；
1
A选择经过B到D且距离为3；
D
B选择经过A到D且距离为3；
A 、B相互交换最短距离直到无穷大。
四. 链路状态路由
基本思想：
•采用延迟作为性能标准； •每个节点为每条链路维护一个近似的延迟； •节点每10秒计算每条出境链路的平均延迟； •如有重大变化，则采用扩散法通知其他节点； •每当接收到来自其他节点的信息时，用Dijkstra 算法重新计算路由表。
算法的操作是同步进行的，所有节点同时接收来自邻 居的消息，计算新距离表条目；如有变化通知邻居。
• DV算法实例
初始化
Y
最左列为x, y, z初始化后的距离表
2
1
X收到来自y, z的更新信息
后，重新计算距离表
X
7
Z
收到Z的消息后： Dx(y, z) = C(x, z) + minwDz(y, w) = 8
1 Initialization: 2 for all adjacent nodes v: 3 DX(*,v) = 4 DX(v,v) = c(X,v) 5 for all destinations, y 6 send minwD(y,w) to each neighbor
/* w over all X's neighbors */ 7
2
3
6
1
4
5
2
3
1
4
5
6 (c)节点2、3、4、 5在所有出境线路 发送包
三. 距离向量算法(DV, distance vector routing)
1. 基本思想
•DV算法的特点 分布的(distributed)
每个节点接收来自与其直接邻接 节点的信息执行路由计算；将计 算结果回传给直接邻接的节点。
一. 路由选择概述
B的内部结构
C
A
D
B
Routing table
Network layer switching/routing
B-A data ink
B-A physical
B-C data link
B-C physical
B-D data link
B-D physical
关键问题
谁确定路由表？ 用什么信息确定路由表项？ 何时修改路由表项？ 何地存放路由信息？ 如何控制路由表大小？ 为什么路由表能确定一条路径？
15 for all destinations y: DX(y,V) = DX(y,V) + d 16 17 else if (update received from V wrt destination Y) 18 /* shortest path from V to some Y has changed */ 19 /* V has sent a new value for its minw DV(Y,w) */ 20 /* call this received new value is "newval" */ 21 for the single destination y: DX(Y,V) = c(X,V) + newval 22 23 if we have a new minw DX(Y,w)for any destination Y 24 send new value of minw DX(Y,w) to all neighbors 25 26 forever
X 4 6 X 60 6 X 60 6 X 60 8 X 60 8