何為路由？

　　所謂路由就是指通過(guò)相互連接的網(wǎng)絡(luò)把信息從源地點(diǎn)移動(dòng)到目標(biāo)地點(diǎn)的活動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，在路由過(guò)程中，信息至少會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。通常，人們會(huì)把路由和交換進(jìn)行對(duì)比，這主要是因?yàn)樵谄胀ㄓ脩?hù)看來(lái)兩者所實(shí)現(xiàn)的功能是完全一樣的。其實(shí)，路由和交換之間的主要區(qū)別就是交換發(fā)生在OSI參考模型的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），而路由發(fā)生在第三層，即網(wǎng)絡(luò)層。這一區(qū)別決定了路由和交換在移動(dòng)信息的過(guò)程中需要使用不同的控制信息，所以?xún)烧邔?shí)現(xiàn)各自功能的方式是不同的。

　　早在40多年之間就已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)路由技術(shù)的討論，但是直到80年代路由技術(shù)才逐漸進(jìn)入商業(yè)化的應(yīng)用。路由技術(shù)之所以在問(wèn)世之初沒(méi)有被廣泛使用主要是因?yàn)?0年代之前的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單，路由技術(shù)沒(méi)有用武之地。直到最近十幾年，大規(guī)模的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)才逐漸流行起來(lái)，為路由技術(shù)的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)和平臺(tái)。

路由技術(shù)的構(gòu)成

　　我們通常所說(shuō)的路由技術(shù)其實(shí)是由兩項(xiàng)最基本的活動(dòng)組成，即決定最優(yōu)路徑和傳輸信息單元（也被稱(chēng)為數(shù)據(jù)包）。其中，數(shù)據(jù)包的傳輸和交換相對(duì)較為簡(jiǎn)單和直接，而路由的確定則更加復(fù)雜一些。

確定路由

　　度量標(biāo)準(zhǔn)（metric），例如路徑長(zhǎng)度等，是被路由算法用來(lái)計(jì)算和確定到達(dá)目的地的最優(yōu)路徑的標(biāo)準(zhǔn)。為了幫助確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂�，路由算法可以建立和維護(hù)路由表。路由表中包含了各種路由信息。路由信息根據(jù)所使用的路由算法的不同而各異。

　　路由算法在路由表中寫(xiě)入各種不同的信息，路由器會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包所要到達(dá)的目的地選擇最佳路徑把數(shù)據(jù)包發(fā)送到可以到達(dá)該目的地的下一臺(tái)路由器處。當(dāng)下一臺(tái)路由器接收到該數(shù)據(jù)包時(shí)，也會(huì)查看其目標(biāo)地址，并使用合適的路徑繼續(xù)傳送給后面的路由器。依次類(lèi)推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)最終目的地。

　　除了我們?cè)谏蠄D中看到的兩項(xiàng)信息之外，路由表中還會(huì)包含其它一些對(duì)路由的計(jì)算和選擇有價(jià)值的信息。路由器通過(guò)比較不同路徑的度量值決定最優(yōu)路徑，而具體的度量值則要視所使用的路由算法而定。我們將會(huì)在文章稍后對(duì)一些較為常用的度量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

　　路由器之間可以進(jìn)行相互通訊，而且可以通過(guò)傳送不同類(lèi)型的信息維護(hù)各自的路由表。路由更新信息就是這樣一種信息，一般是由部分或全部路由表組成。通過(guò)分析其它路由器發(fā)出的路由更新信息，路由器可以掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。鏈路狀態(tài)廣播是另外一種在路由器之間傳遞的信息，它可以把信息發(fā)送方的鏈路狀態(tài)及時(shí)的通知給其它路由器。

　　數(shù)據(jù)包交換

　　交換算法相對(duì)路由算法來(lái)說(shuō)更加簡(jiǎn)單，而且絕大多數(shù)的路由協(xié)議都可以使用相同的交換技術(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)包的發(fā)送方通過(guò)一定的方式獲取到路由器的地址之后，就會(huì)把數(shù)據(jù)包以該路由器的物理地址（MAC地址）發(fā)送出去，同時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)層地址標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包的最終目的地。

　　當(dāng)路由器接收到數(shù)據(jù)包后將查看標(biāo)明其目的地的協(xié)議地址，并決定是否按照該地址將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到下一臺(tái)路由器。如果路由器不知道如何把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到其目的地的話(huà)，一般會(huì)丟棄該數(shù)據(jù)包。如果路由器知道數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，則會(huì)將其中的物理地址改為下一臺(tái)路由器的地址，然后將其發(fā)送出去。以此類(lèi)推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)最終的目的地。在整個(gè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)包的物理地址會(huì)隨著移動(dòng)過(guò)程中所經(jīng)過(guò)的不同的路由器而變化，但是代表目的地的協(xié)議地址一直保持不變。

路由算法

　　路由算法主要由幾個(gè)關(guān)鍵因素決定。首先，算法的設(shè)計(jì)意圖對(duì)路由協(xié)議的實(shí)際運(yùn)作具有很大的影響。其次，目前存在許多不同類(lèi)型的路由算法，每一種算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)和路由器資源都有不同的要求和影響。最后，路由算法使用不同的度量標(biāo)準(zhǔn)，從而使最優(yōu)路徑的計(jì)算結(jié)果不同。

設(shè)計(jì)意圖

　　通常，一種路由算法可以體現(xiàn)出以下幾方面的設(shè)計(jì)意圖：

　　最優(yōu)性
　　簡(jiǎn)單，低開(kāi)銷(xiāo)
　　健壯，穩(wěn)定
　　快速聚斂
　　適用性強(qiáng)
　　最優(yōu)性是指路由算法選擇最佳路徑的能力，這主要取決于計(jì)算最佳路徑所使用的度量標(biāo)準(zhǔn)。舉例來(lái)說(shuō)，一種路由算法可以同時(shí)采用數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)路由器的跳數(shù)和時(shí)延作為度量標(biāo)準(zhǔn)，而其中又以時(shí)延為主要標(biāo)準(zhǔn)。每一種路由協(xié)議都必須嚴(yán)格定義度量值的計(jì)算方法。

　　路由協(xié)議的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)盡可能的簡(jiǎn)單。換句話(huà)說(shuō)，路由算法必須能夠以最有效的方式發(fā)揮其功能，最大程度的降低軟件和使用開(kāi)銷(xiāo)。尤其是當(dāng)實(shí)現(xiàn)路由算法的軟件只能在資源有限的機(jī)器上運(yùn)行時(shí)，有效性就變得更為重要。

　　路由算法必須具有良好的健壯性，能夠在出現(xiàn)異常或突發(fā)事件（例如硬件損壞，負(fù)載過(guò)高以及執(zhí)行錯(cuò)誤等）時(shí)正常運(yùn)行。因?yàn)槁酚善魍�往是網(wǎng)絡(luò)的連接節(jié)點(diǎn)，所以如果出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果。因此，最好的路由算法應(yīng)當(dāng)能夠經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)，在不同的網(wǎng)絡(luò)條件下都能夠保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

　　路由算法還應(yīng)當(dāng)能夠快速聚斂。所謂聚斂就是指所有路由器就最優(yōu)路徑重新達(dá)成一致的過(guò)程。當(dāng)因?yàn)槟撤N原因使路由器出現(xiàn)問(wèn)題而無(wú)法繼續(xù)正常使用時(shí)，路由器會(huì)發(fā)出路由更新信息傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，重新計(jì)算最優(yōu)路徑，并最終使所有路由器就新路徑達(dá)成一致。聚斂速度慢的路由算法可能會(huì)導(dǎo)致路由回路的出現(xiàn)。

　　在下圖所示的路由回路中，一個(gè)數(shù)據(jù)包在時(shí)間t1到達(dá)路由器1。因?yàn)槁酚善?中的信息已經(jīng)被更新，所以該路由器知道到達(dá)數(shù)據(jù)包目的地的最優(yōu)路徑應(yīng)當(dāng)通過(guò)路由器2。因此，路由器1把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到路由器2。但是路由器2中的信息沒(méi)有被更新，所以仍然認(rèn)為最優(yōu)路徑應(yīng)當(dāng)通過(guò)路由器1，并因此把數(shù)據(jù)包又轉(zhuǎn)發(fā)回路由器1。這樣，數(shù)據(jù)包只能在兩臺(tái)路由器之間來(lái)回傳遞，直到路由器2接收到了路由更新信息或者數(shù)據(jù)包超出了最大存活時(shí)間。

　　路由算法還應(yīng)當(dāng)具有非常好的適應(yīng)性，能夠快速準(zhǔn)確的適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。例如，假設(shè)某一個(gè)網(wǎng)段出現(xiàn)問(wèn)題，許多路由協(xié)議都可以快速的選擇新的最佳路徑替代已經(jīng)無(wú)法使用的原由路徑。路由算法應(yīng)當(dāng)能夠通過(guò)編程，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等參數(shù)變量的變化。

算法類(lèi)型

　　路由算法可以被劃分成許多不同的類(lèi)型。主要的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)如下：

　　靜態(tài)vs動(dòng)態(tài)
　　單路徑vs多路徑
　　單層結(jié)構(gòu)vs分層結(jié)構(gòu)
　　主機(jī)智能vs路由器智能
　　域間vs域內(nèi)
　　鏈路狀態(tài)vs距離向量
　　靜態(tài)vs動(dòng)態(tài)

　　靜態(tài)路由算法并不是一種真正意義上的路由算法，而只是由網(wǎng)絡(luò)管理員在啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)路由功能之前預(yù)先建立起來(lái)的路由映射表。除非管理員人為修改，否則映射表的內(nèi)容不會(huì)發(fā)生任何變化。使用靜態(tài)路由的算法在設(shè)計(jì)上非常簡(jiǎn)單，主要適合在那些數(shù)據(jù)流量的可預(yù)測(cè)性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的環(huán)境中使用。

　　因?yàn)殪o態(tài)路由系統(tǒng)無(wú)法對(duì)網(wǎng)絡(luò)變化作出響應(yīng)，所以對(duì)今天的大型，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)并不適用。目前所使用的絕大多數(shù)的主流路由算法都是動(dòng)態(tài)路由算法，可以通過(guò)分析接收到的路由更新信息針對(duì)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境作出相應(yīng)的調(diào)整。如果網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，路由軟件就會(huì)重新計(jì)算新路由，并將新的路由更新信息發(fā)送出去。更新信息可以傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，所有接收到該信息的路由器都會(huì)重新執(zhí)行各自的路由算法，對(duì)路由表作出相應(yīng)的修改。

　　靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由并不是完全對(duì)立的，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，兩者可以有機(jī)的結(jié)合在一起，互為補(bǔ)充。例如，我們可以創(chuàng)建靜態(tài)路由，指定一臺(tái)專(zhuān)門(mén)的路由器作為最后訴求（last resort）路由器來(lái)接收所有無(wú)法被正確路由的數(shù)據(jù)包，這樣，我們就可以保證所有的信息都能夠以某種方式被處理。
單路徑vs多路徑

　　一些復(fù)雜的路由協(xié)議可以支持到同一目的地的多條路徑。與單路徑算法不同，多路徑算法可以在多條路徑之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的多路復(fù)用。多路徑路由算法的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，可以提供更大的數(shù)據(jù)吞吐量，同時(shí)增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

單層結(jié)構(gòu)vs分層結(jié)構(gòu)

　　在單層次的路由系統(tǒng)中，所有的路由器都是對(duì)等的；而在分層路由系統(tǒng)中，則是由一部分路由器組成路由主干。任何一臺(tái)主機(jī)發(fā)送出的數(shù)據(jù)包首先經(jīng)過(guò)非主干路由器到達(dá)主干路由器，然后沿著路由主干傳遞。當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域時(shí)，從主干路由器轉(zhuǎn)入非主干路由器，并最終抵達(dá)目標(biāo)接收方。

　　通常，我們把路由系統(tǒng)中的本地節(jié)點(diǎn)群稱(chēng)為域，自主系統(tǒng)，或區(qū)域。在分層路由系統(tǒng)中，一個(gè)域中的某些路由器可以與位于其它域中的路由器進(jìn)行通訊，而另外一些路由器則只能與本域中的路由器通訊。在規(guī)模更大的網(wǎng)絡(luò)中，可能會(huì)存在更多的路由等級(jí)，而路由主干一般都是由位于最高等級(jí)的路由器組成。

　　分層路由的最大優(yōu)勢(shì)就在于其組成結(jié)構(gòu)與我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)企業(yè)中所采用的管理和組織結(jié)構(gòu)相符，因而可以非常好的支持公司內(nèi)部的數(shù)據(jù)流量和模式。舉例來(lái)說(shuō)，在企業(yè)網(wǎng)中，絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)通訊都發(fā)生在小范圍內(nèi)的組或域中，所以域內(nèi)路由器只需要知道如何與本域中的其它路由器通訊即可，不必關(guān)心其它域中的路由器。這樣，就可以使路由算法得到簡(jiǎn)化，并相應(yīng)降低了路由的更新流量。

主機(jī)智能vs路由器智能

　　所謂主機(jī)智能算法就是指由數(shù)據(jù)包的發(fā)送方?jīng)Q定整個(gè)傳輸過(guò)程中的完整路由，通常也被稱(chēng)為源路由。在源路由系統(tǒng)中，路由器的作用只是簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。

　　路由器智能算法的基礎(chǔ)就是假定數(shù)據(jù)包的發(fā)送方對(duì)路由沒(méi)有任何決定能力，完全由路由器基于各自的計(jì)算方法選擇和確定數(shù)據(jù)的傳輸路徑。

域間vs域內(nèi)

　　有些路由算法只能在單獨(dú)的域中使用，而另外一些路由算法則既可以在域間也可以在域內(nèi)使用。這兩種算法的性質(zhì)是不同的，因此，一種好的域內(nèi)路由算法往往并不一定能夠在域間環(huán)境下使用。

鏈路狀態(tài)vs距離向量

　　鏈路狀態(tài)算法（又稱(chēng)為最短路徑優(yōu)先算法）可以把路由信息傳遞到網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)。不過(guò)每一臺(tái)路由器只是向外界發(fā)送描述自己鏈路狀態(tài)的那一小部分路由表信息。距離向量算法（又稱(chēng)為Bellman-Ford算法）要求每一臺(tái)路由器向外發(fā)送全部或絕大部分的路由表信息，不過(guò)該信息只能發(fā)送給臨近的路由器。因此，兩者的區(qū)別就是鏈路狀態(tài)算法可以向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍發(fā)送數(shù)據(jù)量較小的更新信息，而距離向量算法則是只能向臨近的路由器發(fā)送大批量的更新信息。

　　因?yàn)殒溌窢顟B(tài)算法的聚斂速度相對(duì)較快，所以要比距離向量算法更能有效的避免路由回路的出現(xiàn)。不過(guò)，從另一方面來(lái)說(shuō)，鏈路狀態(tài)算法需要占用更多的CPU處理時(shí)間和系統(tǒng)內(nèi)存，因此比距離向量算法的實(shí)現(xiàn)和支持成本更高。除了我們?cè)谶@里所提到的區(qū)別之外，兩種路由算法都可以在絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用。

路由度量標(biāo)準(zhǔn)

　　路由算法使用很多不同的度量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定最佳路徑。一些復(fù)雜的路由算法更是可以把幾個(gè)獨(dú)立的度量標(biāo)準(zhǔn)綜合起來(lái)，作出更為全面和準(zhǔn)確的路由決定。以下是最為常用的路由度量標(biāo)準(zhǔn)：

路徑長(zhǎng)度

　　可靠性
　　時(shí)延
　　帶寬
　　負(fù)載
　　通訊成本
　　路徑長(zhǎng)度是最為常用的一種路由度量標(biāo)準(zhǔn)。有些路由協(xié)議可以允許網(wǎng)絡(luò)管理人員為每一條網(wǎng)絡(luò)連接指定路由成本。在這種情況下，路徑長(zhǎng)度就是所有有關(guān)連接的路由成本的總和。其它一些路由協(xié)議還可以定義跳數(shù)，即數(shù)據(jù)包從源地址到目的地所必須經(jīng)過(guò)的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備（如路由器等）的個(gè)數(shù)。

　　在路由算法的范疇內(nèi)，可靠性主要是指每一條網(wǎng)絡(luò)連接的可使用性（通常使用誤碼率表示）。一些網(wǎng)絡(luò)連接可能比其它連接更容易出現(xiàn)問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)故障修復(fù)之后，有些網(wǎng)絡(luò)連接可能比其它連接的恢復(fù)速度更快或更方便。網(wǎng)絡(luò)管理人員可以把任何可靠性因素考慮在內(nèi)，并據(jù)此為每一條網(wǎng)絡(luò)連接指定相應(yīng)的可靠值。

　　路由時(shí)延是指通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包從源地址移動(dòng)到目的地所需要的時(shí)間總和。有許多因素可以造成路由時(shí)延，其中包括網(wǎng)絡(luò)連接的帶寬，每一臺(tái)途經(jīng)路由器的負(fù)載，網(wǎng)絡(luò)擁擠狀況以及數(shù)據(jù)包所需要經(jīng)過(guò)的物理距離等。因?yàn)槁酚蓵r(shí)延是多項(xiàng)重要變量的綜合反映，所以被普遍的采用。

　　帶寬是指一條網(wǎng)絡(luò)連接所能提供的流量吞吐能力。很明顯，10-Mbps以太網(wǎng)的帶寬要大大高出64-kbps專(zhuān)線(xiàn)的帶寬。雖然帶寬反映了一條網(wǎng)絡(luò)連接所能夠提供的最大速率，但是有時(shí)使用寬帶連接的路由并不一定是最優(yōu)路徑。例如，如果一條高速連接非常繁忙，那么實(shí)際等待發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間可能會(huì)更長(zhǎng)。

　　負(fù)載是指象路由器這樣的網(wǎng)絡(luò)資源和設(shè)備的繁忙程度。我們可以通過(guò)多種方式計(jì)算負(fù)載，例如CPU的使用率以及每秒鐘可以處理的數(shù)據(jù)包的數(shù)目等。對(duì)路由負(fù)載進(jìn)行長(zhǎng)期的持續(xù)監(jiān)控可以更加有效的管理和配置網(wǎng)絡(luò)資源。

　　通訊成本是另外一種非常重要的路由度量標(biāo)準(zhǔn)，尤其是對(duì)那些相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能更加關(guān)注運(yùn)行成本的企業(yè)來(lái)說(shuō)，其重要性就更加明顯。舉例來(lái)說(shuō)，有時(shí)企業(yè)會(huì)為了節(jié)省公用線(xiàn)路的使用成本而改用延遲更大的私人線(xiàn)路，這就是通訊成本的具體體現(xiàn)。