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    一代IP網絡中的路由技術研究

    時間:2020-01-17 來源:中國新通信 作者:丁壹軒 本文字數:5673字

    大專計算機網絡技術畢業論強推參考范文10篇之第十篇:一代IP網絡中的路由技術研究

      摘要:IP網絡已經成為飛速發展的信息網絡的代表性成果, 覆蓋了全球的網絡。路由器技術作為新一代IP網絡的關鍵技術, 具有極大的研究價值與意義。隨著網絡的全球性覆蓋、互聯網用戶急劇增長, 網絡帶寬的迅速增加、數據業務呈爆炸性增長, 隨著網絡的普及, 用戶對服務質量需求精益求精, 網絡的規模、速度、種類和應用等都要進行適應性的改變, 網絡體系本身的變化導致作為網絡核心的路由體系結構也將發生巨大變化。本文旨在對新一代IP網絡中的路由技術進行探索性研究。

      關鍵詞:TCP/IP網絡; 距離向量路由算法; RIP協議; 觸發更新;

      一、Introduction

      從應用角度來講, 隨著計算機技術的發展, 人類已經步入了網絡時代, 而互聯網技術的快速發展, 已經滲透到人們生活的每個角落, 徹底改變了人類使用及獲取信息的方式和生活習慣, 是人類歷史發展中的一個偉大的里程碑。互聯網是一個巨大的信息和服務資源提供者, 它提供了各種各樣簡單而又快捷的通信與信息檢索手段。通過互聯網, 全世界范圍內的人們既可以即時通信, 交流思想, 又可以獲得各個方面的知識, 開闊眼界, 提升自我價值和社會價值。由于通信以及消息傳播的速度之快, 使得全世界范圍內的思想交流變成了瞬時完成的事, 人們交流的頻繁了, 互相之間的感覺就近了, 使世界真正的變成了一個"地球村".

    計算機網絡技術

      從技術角度來講, 互聯網之間的通信依托網絡協議, 網絡協議就是網絡之間溝通、交流的橋梁, 只有遵循達成共識的規范才能正常、順利地進行交流。

      在網絡發展的初期, 國際標準化機構提出了最為著名的網絡體系結構OSI-RM.它將網絡分為七層結構, 每一層都會有不同的功能, 從最底層開始, 分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、傳輸層和應用層[1].Internet中端系統之間的通信通過每一層實現不同的功能以及為計算機網絡數據交換建立規則的網絡協議實現。但由于過于繁瑣不適合商用所以逐漸被簡潔的TCP/IP逐漸取代。

      TCP/IP協議為Internet的標準連接協議, 可分為應用層、運輸層、網絡層、會話層四層, 其中網絡層發揮著至關重要的作用, 不同于數據鏈路層在兩個相鄰端點之間進行數據幀的傳送, 網絡層在此基礎上進一步管理網絡中的數據通信, 完成將數據從源端傳送到目的端的任務, 這其中可能經過若干節點甚至更復雜的網絡結構。至此, 網絡層向運輸層提供最基本的端到端的數據傳送服務。路由器就在網絡層工作。

      事實上, 網絡層中的一些協議主要是解決異構網絡的互聯問題。網絡層負責在源結點和目的結點之間建立他們所使用的路由。路由器有數據通道功能和控制功能兩大典型功能, 能把許多計算機連接成一個區域網, 可以在其任何接口上接收數據包, 并把數據包轉發出去, 將其發送到目的地[2].

      通過了解計算機網絡技術, 生活中計算機的傳輸過程不再神秘。本篇論文主要介紹有關網絡層的路由技術以及其依托的路由協議算法性能的對比。

      二、網絡中的路由器

      2.1路由功能

      路由把信息從源端穿過網絡傳遞到目的端的行為, 是網絡互聯中的一個重要問題, 也是網絡通信中的關鍵一環。

      路由器是一種連接多個網絡或網段的網絡設備, 數據信息到達路由后, 經過路由內部機制的處理, 能將不同網絡或網段進行互聯, 從而構成一個更大的網絡。

      網絡層從傳輸層接收數據, 將其組裝成IP數據報, 通過對權值的比較選擇最佳的路由路徑, 之后IP數據報經過最佳路徑路由發送到達目的地。在由多個路由器連接起來的互聯網中存在著不同的路徑供傳輸選擇。甚至互聯網上的每個路由都有可能被用到。那么如何選擇最佳的數據傳輸路徑并消耗盡可能少的網絡資源, 一直是學術界以及商業界最關注的部分, 一些通信中用于路徑選擇的算法也逐漸被優化使用于實際網絡中的數據傳輸。

      路由包含兩個基本動作:確定最佳路徑和通過網絡傳輸信息。在路由的過程中, 后者也稱為 (數據) 交換。

      路由器的主要工作就是為經過路由器的每個數據幀尋找一條最佳傳輸路徑, 并將該數據有效地傳送到目的站點, 實現數據轉發的功能[3]:

      (1) 選路策略:當分組從互聯的網絡到達路由器時, 路由器能根據分組的目的地址按某種路由策略, 選擇最佳路由, 將分組轉發出去, 并能隨網絡拓撲的變化, 自動調整路由表。

      (2) 選路機制:路由器查找路由表, 找到目的對應的出接口, 并決定向哪個接口轉發數據, 執行相應的操作。

      選路策略由靜態路由協議和動態路由協議實現, 選路機制又包含在不同的路由算法中。

      靜態路由一般由管理員手動輸入路由表, 當網絡結構改變時需要管理員重新修改路由表。動態路由表則根據協議自助填寫路由表, 并且及時更改。在需要時自動計算最佳路由。

      計算最佳路由時則需要根據路由算法選擇從源到目的地最小代價的路徑。路由算法使用最小代價權值確定最佳路徑。通常的代價權值有跳數、傳輸時延、帶寬、時間等。

      2.2路由算法

      路由算法通常具有優化、簡單、低耗、健壯、穩定、快速聚合、靈活性等設計目標的一個或多個。目前計算機網絡通常使用動態路由算法, 因為這類算法能夠適應網絡的拓撲和流量變化, 其中最常用的兩種動態路由算法是"距離矢量路由算法"和"鏈路狀態路由算法".

      (1) 距離向量路由算法

      其關鍵思路是基于距離矢量算法的, 通過判斷路徑查找到最佳路由, 相鄰的路由器之間周期性地交換各自路由表備份。每個路由器維護一張路由表, 以網絡中的每個路由器為索引, 表中列出了當前已知的路由器到每個目標路由器的最佳距離, 以及所使用的線路。通過在鄰居之間相互交換信息, 路由器不斷地更新他們的內部路由表。最為常見的最短路徑算法有F算法和D算法兩種。其中, F算法的典型應用就是距離向量路由算法。

      圖1 網絡抽象的無向圖  

      如圖1所示, F算法的過程可以簡述為:假設A到B的權值是1, B到C的權值是3, A到E的權值是4, A到D的權值是2, C到F的權值是3, C到E的權值是5.當A想要向C傳送數據時, 首先判斷自身周圍最近的路由器:A-E=4, A-B=1, A-D=2.在計算E、B, D到C的距離。A-E-C=9, A-B-C=4, 故選擇A-B-C路線。

      (2) 鏈路狀態路由算法

      鏈路狀態路由算法有時也稱為最短路徑優先算法, 他需要每一個路由器都保存一份關于整個網絡的最新網絡拓撲。路由器需要維護一個復雜的網絡狀態數據庫, 網絡中的路由器之間通過交換鏈路狀態的通告 (LAS) 來建立和更新網絡拓撲數據庫, 隨后使用最短路徑優先算法計算出鏈接網絡目標的信息并更新路由表。

      2.3路由協議

      鏈路狀態路由算法和距離向量路由算法是兩種最為流行的算法類型。對于互聯網而言, 如果全局采用一致的算法, 那么路由器的動態變化會占用很大的網絡帶寬。于是可以將互聯網劃分為若干較小的單位, 即自治系統 (AS) .一個AS是一個包含一定范圍的互聯網絡, 所有路由器必須相互連接, 運行相同的路由協議, 同時分配同一個自治系統編號。在一個AS下使用同一種路由策略, 會方便許多, 每個AS有自己的路由技術。用于自治系統間接口上的單獨的協議為外部路由器協議 (EGP) , 用于自治系統內部的路由協議為內部路由器協議 (IGP) ) .外部路由協議只有一個, 而內部路由器協議則是一族。

      (1) 內部網關協議 (IGP)

      典型的域內協議有:路由信息協議 (RIP) 、依賴于時鐘同步消息協議 (HELLO) 和開放最短路徑優先 (OSPF) 等。其中是RIP協議應用最為最廣泛。

      (2) 外部網關協議 (EGP) )

      如源結點和標結點處在不同的AS中, 且兩個AS采取的是不同的內部網關協議, EGP路由器只向其自治區域邊界上的路由器轉發路由選擇表信息來獲得對方自治系統的路由信息, 從而為IP數據報選擇最佳路由。當前BGP是最為常用的外部網關協議。

      內部網關協議和外部網關協議相互配合, 使得全網范圍內可以實現互相訪問。

      三、RIP協議中的抑制計時機制

      路由器轉發數據包, 在進行路由選擇時, 匯聚成為網絡強壯和脆弱的根源。當網絡中拓撲結構發生變化時, 網絡中所有路由器都要對新的拓撲達成共識。在這個過程中, 路由器要彼此分享信息, 又要各自獨立的計算拓撲變化對自己路由的影響。通過彼此協作, 可以形成對新拓的共識。

      網絡中的路由器不可能同時檢測到拓撲結構的變化, 網絡中所有路由器在對新的網絡拓撲達成共識之前, 存在一個時間延遲, 這被稱為匯聚時間。匯聚對于網絡波動的響應能力是其決定作用的。因此選擇不同匯聚能力的路由協議顯得尤為重要。

      RIP (路由信息協議) 是線上網絡使用最多的內部網關協議。其內部選路算法使用距離矢量實現。

      距離矢量具有慢收斂的特點, 即"好消息傳得快, 壞消息傳的慢".當網絡結點故障或者開銷增大時, 網絡中的所有路由器需要經過比較長的時間才能獲取到此信息。為解決這一問題, RIP可以調整為在廣域網鏈路上抑制路由更新的發送, 而只僅僅在路由有變化時, 將有變化的路由發出去, 這就是RIP的觸發更新機制。

      觸發更新機制[4]是當路由信息發生某些變化時即刻給相鄰路由器發送觸發更新的信息。若路由器檢測到網絡拓撲發生變化, 將依次給相鄰路由器發送觸發更新信息, 如每個路由器均執行此操作, 此更新會很快傳播到整個網絡。但是觸發更新也存在著如下缺點:由于網絡有丟包的可能, 包含有更新信息的數據包就有可能被丟掉;如果觸發更新信息還沒有來得及發送, 路由器就接收到相鄰路由器的周期性路由更新信息, 那么路由器就會將錯誤的路由信息發送給鄰居節點更新。在這一機制下一個路由器故障或者更新將引起整個網絡的廣播雪崩[5].

      若在路由器上設置廣播機制時對同一訊息的接受和轉發不超過一定的次數, 這樣在一部分較大的局域網絡內, 路由表的更新很快將傳遍網絡并且網絡內的信息也不會過多導致整個線路的堵塞。

      為了加快網絡收斂速度又可以降低廣播風暴的風險, RIP協議中應用了抑制計時機制。抑制計時器可以阻止定期更新的消息在不恰當的時間內重置路由。當路由器從鄰居節點獲悉以前能夠正常訪問的網絡現在不能訪問的更新消息后, 就將該路由標記為不可訪問, 并啟動一個抑制計時器, 如再次收到從鄰居節點發送來的更新信息, 包含一個比原來路徑具有更好度量值的路由, 就標記為可訪問, 并取消抑制計時器。如在抑制計時器超時之前從不同鄰居收到的更新信息包含的度量值比以前的更差, 更新將被忽略, 這樣可以有更多的時間讓更新信息傳遍整個網絡。

      四、D算法與F算法應用抑制計時的路由更新

      RIP中的抑制計時的目的是在縮短收斂時間的同時又減小了廣播風暴的可能性。而RIP是采用距離矢量算法的。于是, 本文對比了D算法和F算法在應用中添加抑制計時機制后的性能。

      整體思路:

      (1) 在有限的網絡拓撲范圍內進行測試加以選擇;

      (2) 嘗試建立優化模型;

      (3) 逐漸擴大范圍, 最終得到一個在盡量大的范圍內的最優解。

      我們采用如圖2所示的網絡拓撲結構, RIP的定期計時器是設定為25~30秒之間的一個隨機值。

      圖2 模擬網絡拓撲

      算法步驟:

      1) .通過改變連接關系, 模擬小范圍的網絡拓撲結構的變化;

      2) .在算法中加入循環語句, 用以模擬網絡環路;

      3) .斷開R1與子網2的連接;

      4) .記錄路由器更新的時間;

      5) .在已經改變的算法中加入抑制計時;

      6) .恢復R1與子網2的連接;

      7) .記錄路由更新所需的時間, 選擇最佳的抑制計時范圍 (例如150-200) ;

      8) .再在該區間內劃分更小梯度加以測試。

      結果如表1所示:

      由測試結果可以得出

      (1) 使用F算法得到全網的最佳路由

      第1次拓撲改變時, R1的收斂時間是50秒左右, R2的收斂時間大概是200秒, 類似的, R3的收斂時間也在200秒左右。整個網絡的收斂時間大概是200秒。

      第2次拓撲改變時, R1的收斂時間是1秒左右, R2的收斂時間大概是3秒, 類似的, R3的收斂時間也在1秒左右。整個網絡的收斂時間大概是3秒。

      (2) 使用D算法得到全網的最佳路由

      第1次拓撲改變時, R1收斂時間大概是60秒, R2的收斂時間大概是230秒, 類似的, R3的收斂時間也在230秒左右。整個網絡的收斂時間大概是220秒。

      第2次拓撲改變時, R1的收斂時間是3秒左右, R2的收斂時間大概是6秒, 類似的, R3的收斂時間也在6秒左右。整個網絡的RIP收斂時間大概是6秒。

      五、結論

      本文通過模擬RIP協議在網絡中工作的方式, 結合觸發更新加快收斂時間的特點, 對比了兩種最短路徑算法的性能。實驗結果顯示, 在網絡拓撲兩次發生改變時, 第一次網絡拓撲改變傳遞的是關于網絡不可達的壞消息, 整個網絡大約240秒收斂;而第二次網絡拓撲改變傳遞的是關于網絡可達的好消息, 整個網絡大約5秒收斂, 這也證明了RIP協議對好消息 (網絡可達) 的傳遞要快于對壞消息 (網絡不可達) 的傳遞。同時也證明了, F算法的性能略優于D算法的性能。這也符合實際中RIP協議中的最短路徑算法更多的采用F算法的事實。

      但是為了降低廣播風暴的風險, 最佳抑制時間的選取成為一個影響性能的重要因素, 本文對于抑制時間的選取只是隨機選取了固定的值, 在本文已有的實驗基礎上, 通過改變抑制時間的設定, 不再隨機取抑制時間, 嘗試將抑制計時取特殊值:0, 5, 15, 20, 25, 30, 60……, 并建立數學模型, 求取最優解, 這也是將來需要進一步優化的方向, 并有待進一步的研究和驗證。

      RIP協議有2種通告機制:定期更新和觸發更新。觸發更新使網絡中的路由處于主動狀態, 不用等待定期更新周期完結才能傳遞網絡拓撲變化的消息。使得網絡感知更人性化, 也能更快更早發現網絡異常, 同時結合抑制計時機制也降低了網絡中廣播風暴的風險。本文對于這兩種方式結合的小型局域網進行了模擬性測試, 而對于真實的大型網絡環境, 仍有很多的挑戰要去完成。

      表1 網絡拓撲觸發更新測試對比結果

      參考文獻
      [1]謝希仁。計算機網絡[M].北京:電子工業出版社, 2008.
      [2] 閔應驊。計算機網絡路由研究綜述[D].北京:中國科學院計算技術研究所信息網絡室, 2003.
      [3]張宏科, 張思東, 劉文紅。路由原理與技術[M].北京:國防工業出版社, 2003.
      [4] 孟國防。距離矢量路由算法的缺陷及其優化方法[D].甘肅:西北民族大學計算機與信息工程學院, 2007.
      [5]王旸旸, 畢軍, 吳建平。互聯網覆蓋路由技術研究[D].北京:清華大學, 2009.

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      論文來源參考:丁壹軒.計算機網絡通信中的路由技術研究[J].中國新通信,2018,20(23):21-23.
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