第5章：网络层：控制平面（二）

声明：以下所有内容均来自陈老师的课件，此博客只是为了方便日后复习

提纲

  • 概述
  • 路由选择算法
    • 链路状态
    • 距离向量
  • Internet中自治系统内部的路由选择：OSPF
  • ISP之间的路由选择：BGP
  • SDN控制平面
  • 因特网控制报文协议
  • 网络管理和SNMP

链路状态

链路状态路由选择算法（简称LS算法）

  • 集中式:所有节点掌握网络拓扑和链路开销

    • 通过“链路状态广播”
    • 所有节点拥有相同信息

  • 用Dijkstra算法计算从一个节点（“源”）到达所有其他节点的最低开销路径

    • 获得该节点的转发表

  • 迭代式：k次迭代后，可知道到达k个目的节点的最低开销路径
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  • LS算法示例：
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    • 备注
      • 通过遍历前序节点来构造最低开销路径树
      • 如果存在相同的最低开销，则随机选取

  • LS算法测试题：
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    • 考虑上图所示的具有6个节点的网络，u为源节点，每条边上的值表示对应链路的开销

    • 借助LS算法，寻找从源节点u到所有其他节点的最低开销路径

    • 请问：

        1. 从u到节点y的最低开销为多少？
        1. 节点y的前一个节点是哪个？

    • 答案：
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  • LS算法：讨论

    • 算法复杂度：给定n个节点（不算源节点）
      • 每次迭代：需要检测所有不在集合N'中的节点w
      • 在最坏的情况下：n(n+1)/2 次比较，O(\(n^2\))
      • 更高效的实现O(nlogn)
    • 通信复杂度：
      • 每个路由器必须向网络中所有路由器广播它的链路状态信息
      • 每个路由器的广播要穿越O(n)条链路
      • 总的通信复杂度：O(\(n^2\))

  • LS算法：存在振荡的可能

    • 当链路开销依赖于链路上承载的流量，可能会发生路由振荡
    • 示例场景：
      • 链路开销是双向的，并且等于相对应链路上承载的流量
      • a为目的节点；节点d产生的发往a的流量值为1，节点b产生的发往a的流量值为1，节点c产生的发往a的流量值为e
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  • LS路由选择的工作过程

    • 配置LS路由选择算法的路由器的工作过程概述：
      • 各节点（即各台路由器）通过各种渠道获得网络拓扑、网络中所有链路的开销等信息【这部分和算法无关，属于协议和实现】
      • 使用LS算法，计算本节点到其他节点的最低开销路径，得到路由表（也即得到了转发表）
      • 按照此路由表转发数据分组【数据平面的工作】
        • 分发到输入端口的网络层（物理层->链路层->网络层；严格意义上说不是路由的一个步骤）
    • LS路由选择的主要步骤：对于每一台路由器
        1. 发现与其物理连接的路由器（即邻居），获知它们的网络地址
        1. 测量它到其邻居的开销
        1. 构造一个链路状态分组（LS分组），描述它到其所有邻居的开销情况
        1. 将LS分组通过扩散的方法发给其他所有的路由器
      • 以上四步让每台路由器获得网络拓扑和链路开销
        1. 通过Dijkstra算法计算最低开销路径【这才是路由选择算法】
        • 每个节点独立算出来它到其他节点的最低开销路径
        • 迭代算法：第k步能够知道本节点到k个其他节点的最低开销路径

  • LS路由选择的工作过程（具体化）

    • 1.发现与其物理连接的路由器（即邻居），获知对方的网络地址
      • 一个路由器上电后，向所有链路发送HELLO分组
      • 其他路由器收到HELLO分组，回送应答，在应答分组中告知自己的名字（全局唯一）
      • 在LAN中，通过广播HELLO分组，获得其他路由器信息，可以认为是引入了一个人工节点
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    • 2.测量它到其邻居的开销（如时延）
      • 实测法：发送一个特别的ECHO分组，另一端立即回送一个应答
      • 通过测量往返时间可以获得一个合理的时延估计值
      • 为了获得更好的结果，可多次测量，取均值
    • 3.构造一个LS分组，描述它到其所有邻居的开销情况
      • 每个LS分组包含的信息：发送方的名称或ID、序号、年龄、邻居列表（给出它的邻居以及它到邻居的开销值）
      • 构造LS分组的时间点：周期性地构造和发送，或者有特别的事件（比如，某条线路或邻居进入down状态）发生时构造
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    • 4.将LS分组通过扩散方法发给其他所有路由器
      • 序号：用于控制无穷的扩散
        • 每个LS分组都包含一个序号，序号随着新分组产生而递增
        • 每个路由器都记录它看见的所有（源路由器，序号）对，发现重复的或老的就不扩散
        • 具体问题1：循环使用问题
        • 具体问题2：路由器崩溃之后序号从0开始
        • 具体问题3：序号出现错误
      • 解决问题的办法：年龄字段
        • 生成一个分组时，年龄字段不为0
        • 每经历一个时间段，年龄字段减1
        • 年龄字段为0的分组将被抛弃
      • 关于扩散分组的数据结构
        • Source：从哪个节点收到LS分组
        • Seq，Age：序号，年龄
        • Send flags：发送标记，必须向指定的哪些相邻节点转发LS分组
        • ACK flags：本节点必须向哪些相邻节点发送应答
        • Data：来自Source节点的LS分组
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    • 5.通过Dijkstra算法计算最低开销路径【这才是路由选择算法】
      • 路由器获得各节点的LS分组和整个网络的拓扑
      • 通过Dijkstra算法计算出它到其他各个路由器的最低开销路径
      • 将计算结果安装在路由表中
    • LS的应用情况
      • OSPF协议是一种LS协议，被用于Internet上
      • IS-IS：被用于Internet主干中

距离向量路由选择算法（简称DV算法）

  • 基于Bellman-Fold（BF）方程（动态规划）：
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  • 于Bellman-Fold（BF）示例
    假设u的邻居x，v，w已经知道它们的目的地z的最低开销路径的开销：
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    由Bellman-Ford方程可知：
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    那个取得最小值的节点x，就是u到目的地z的最低开销路径上的下一条路由器 --> 可用于转发表中

距离向量路由选择算法

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  • 核心思想：

    • 每个节点不时地将它的距离向量发送给其邻居
    • 当x从它的任何一个邻居接收到一个新的距离向量的时候，通过B-F方程更新x的距离向量：
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    • 估计值image将最终收敛于实际的最低开销值image

  • 每个节点：
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  • 异步、迭代式：每次局部迭代由以下事件触发：

    • 局部链路开销变化
    • 来自邻居的DV更新信息

  • 自我终止、分布式：每个节点仅当其DV变化时才会通告邻居：

    • 邻居再通告它们的邻居————只在必要的时候进行
    • 没收到通告，不采取任何动作！

  • DV算法：示例

    • t=0
      • 所有节点仅具有到其邻居的开销估计
      • 所有节点将其距离向量发送给它们的邻居
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    • t=1（一）
      • 所有节点接收来自其邻居的距离向量
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    • t=1（二）
      • 所有节点计算其新的距离向量
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    • t=1（三）
      • 所有节点将其新的距离向量发送给邻居
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    • t=2（一）
      • 所有节点接收来自其邻居的距离向量
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    • t=2（二）
      • 所有节点计算其新的距离向量
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    • t=2（三）
      • 所有节点将其新的距离向量发送给邻居
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    • ......以此类推

  • DV算法的计算过程
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  • DV算法：状态信息扩散
    迭代式的信息交流和计算使得信息能够扩散到整个网络

    • t=0
      • 在t=0时c的状态仅在c位置
    • t=1
      • 在t=1时的c的状态已传播到了b，并且可能影响到至多为1跳距离远的位置（也即b）的距离向量计算
    • t=2
      • 在t=2时的c的状态现在可能影响到了至多为2跳距离远的位置（b; a, e）的距离向量计算
    • t=3
      • 在t=3时的c的状态现在可能影响到了至多为3跳距离远的位置（b; a, e; c, f, h）的距离向量计算
    • t=4
      • 在t=4时的c的状态现在可能影响到了至多为4跳距离远的位置（b; a, e; c, f, h; g, i）的距离向量计算
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  • DV算法：示例二
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  • DV算法：链路开销变化

    • 链路开销变化
      • 节点检测到它的邻居的链路开销发生了变化
      • 更新路由信息，重新计算其距离向量
      • 如果其距离向量因此而改变了，通告其所有邻居
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    • “好消息”传播快
      • t0：y检测到链路开销变化，更新其距离向量，通告其所有邻居
      • t1：z接收到y的更新，更新其距离向量表，计算其到达x的新的最低开销，将其距离向量发送给其所有邻居
      • t2：y接收到z的距离向量更新，更新其距离向量表，重新计算y的最低开销，未发生改变，不再向z发送任何报文
    • “坏消息”传播慢————无穷计数问题
      • y看见它到x的直接链路的新开销为60，但是z之前已经说了它有一条开销为5的路径。所以，y计算出“我到x的新开销将会是6（经由z）”；将其到x的新开销6通告给z
      • z学习到y到x的路径具有新开销6，所以z计算出“我到x的新开销将会是7（经由y）”；将其到x的新开销7通告给y
      • y 学习到z 到x 的路径具有新开销7，所以y 计算出“我到x 的新开销将会是8(经由z )”；将其到x 的新开销8通告给z
      • z 学习到y 到x 的路径具有新开销8，所以z 计算出“我到x的新开销将会是9(经由y )”；将其到x 的新开销9通告给y
      • ......由上可知，分布式算法是“狡猾的”
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  • DV算法：无穷计数问题

  • 解决方案：毒性逆转

    • 如果一个节点（记为z）到达某目的地（记为x）的最低开销路径是通过某个邻居（记为y），那么：z通告给该邻居y，说它到该目的地x的距离是无穷大（“善意的小谎言”）
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    • Q：毒性逆转技术能否彻底解决无穷计数问题？
    • A：不能。对于涉及3个或更多节点（而不只是两个直接相连的邻居节点）的路由选择环路，毒性逆转技术并不能检测到，因而无法解决这类无穷计数问题。

  • 解决方案：定义最大度量

    • 定义一个最大的有效开销值，比如：15跳（16跳则表示了无穷大）
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  • LS算法和DV算法的比较

    • 通信复杂度
      • LS：n个节点，发送O（\(n^2\)）个报文
      • DV：邻居之间交换报文，收敛时间不一
    • 收敛速度
      • LS：O（\(n^2\)）
        • 可能发生振荡
      • DV：收敛较慢
        • 可能发生路由选择环路
        • 可能遭遇无穷计数问题
    • 健壮性：路由器故障时会发生什么
      • LS：
        • 路由器会向与其连接的链路通告不正确的开销
        • 每个路由器仅计算其自身的路由表
      • DV：
        • 路由器会向全网所有节点通告其不正确的最低开销路径
        • 每个路由器的路由表可能被其他路由器使用
        • 错误可以扩散到全网
posted @ 2024-11-21 21:11  韦飞  阅读(84)  评论(0)    收藏  举报