计算机网络: 网络层(Control Plane)

网络层里分为两层: Control Plane 和 Data Plane，之前我有篇博客是写 Data Plane 的，这篇就写写 Control Plane 吧。先来说说这两个 Plane 是啥。

• Data Plane 一般用来将路由器里的包从 Input 送到 Output，这个过程叫做 Forwarding。
• Control Plane 用于将包从一个路由器发到另一个路由器，这个过程叫做 Routing。

而如何去管理，构建 Control Plane 是个非常重要的问题，因为它牵涉到如何将包从一个路由器发到另一个路由器，这也是本篇文章的重点内容。

Per-Router 构建法

什么是 Per-Router 呢？就是在每个路由器里都算出路由表，以此作为基础发信息。比如从要从北京发到广州，其中要经过杭州，上海，厦门，那么这些城市都要自己去算一张跌幅表。信息从这些“中间”城市经过时就会去看这个路由表，来确定下一站要去哪。

但这种方法有个大问题，2，3个路由器好说，全球几十亿个路由器，每个路由器都要存一张到所有路由器的表那不是存数据存爆炸了？还有啊，每个路由器之间是要互相交换信息的，如果数据要共享那交换数据就跟下载 4K 视频差不多了。

要解决这个问题，我们可以想想一个国家是怎么治理地区的——分治法！想想新疆和西藏这些自治区，都是自己管理自己的。所以网络世界多了一个名词——Autonomous System，简写为 AS。

我们将路由器分在不同的 AS 里，每个 AS 去管理自己的路由器，那么路由器存的数据也就是 AS 里所有路由器的数据了，数据量一下子就减少了很多！

Autonomous System

每个 Autonomous System 都会有自己的 ID，也叫做 ASN (Autonomous System Number)，一般为 16~32 位。下面就是 AS 的一个例子。

先来介绍一下 AS 里的术语：

1. Local Traffic: 起点路由器到终点路由器的信息传输。
2. Transit Traffic: 这种传输会被别的 AS 传递到下一个 AS。
3. Transit AS: 这种 AS 可以传递 Transit Traffic 到下一个 AS。
4. Stub AS: Stub 英文就是根，所以这种类型的 AS 一般是叶子节点，一般只和一个 AS 有连接，而且只有 Local Traffic。
5. Multihomed Stub AS: 这种 AS 会连接多个 AS，但是只能有 Local Trafic。

上面的图中 AS1 是 Multi-homed stub，AS3 和 AS4 是 Transit AS，AS2 和 AS5 是 Stub AS。

AS 相关协议

AS 就相当于将大堆路由器分成很多小堆，所以 AS 之间沟通本质上也是路由器在沟通，不同的是沟通的路由器在不同的 AS 里。这些路由器就像是外交大使一样，而外交大使一般要求会别国的语言吧，这些“别国的语言”在这里就是协议。

AS 的协议分成两种：

1. Interior Gateway Protocol: 简写成 IGP，其实是一系列协议的统称，如 RIP，OSPF 等，这些协议主要是用来告诉 AS 里面路由器如何将包发到别的 AS，或者其他 AS 的信息。
2. Exterior Gateway Protocol: 简写成 EGP，这也是一系列协议的统称，在这些协议中 BGP (Border Gateway Protocol) 是用的最多的。这个是解决 AS 之间如何交流问题的。

路由协议

上面说到的 RIP，OSPF 和 BGP 都是路由协议，后面还会介绍，不过现在我们要理解为什么要这些协议。上面我只是模糊地说这些协议都是用来告知“信息”的，那到底是什么信息呢？还记得刚开始说 Control Plane 的作用么？就是用来 Routing 的，那怎么做 Routing 呢？用 Routing Table 呀。Routing Table 怎么造起来呢？这些“信息”就是用来造 Routing Table 的。

所以现在我先介绍路由协议是什么（其实就是路由算法），再去讲这三个协议，其实他们都是路由协议的实现方式而已。

组成部分

路由协议重要的点有下面三个:

1. 要有一种方式让路由器知道和别的路由器到底能不能通信。
2. 要有一种方式让路由器知道要走哪条最短的路可以到达别的路由器。
3. 要有一种方式使得改了网络结构后，上面两点会自动更新。

Link State 算法

• 每个路由器都会知道相邻路由器的信息
• 距离信息会广播到每个路由器，相当于是全局信息
• 每个路由器会使用自己的算法去计算 Routing Table

关键词：动态更新，使用局部数据

Distance Vector 算法

• 每个路由器都会知道相邻路由器的信息（没看错和上面的一样）
• 每个路由器会周期性地将自己的信息发给相邻的路由器
• 如果网络结构改变了，那么会更新相邻的路由器，最终整个网络都会完成更新

关键词：全局一波更新，使用全局数据

还是路由协议

下面开始讲对上面两种算法的应用，也就是上面提到的 RIP，OSPF 和 BGP。

RIP

RIP 也叫做 Routing Information Protocol。 先说明，这个协议是属于内部 Routing 的也就是属于 IGP。

• 使用 Distance Vector 算法
  • 每个路由器都知道相邻路由器的 Link 权重
  • Link 的权重通常都是按 Hop 来算的
  • 将自己 Routing Table 广播到相邻路由器
  • 使用 Bellman-Ford 算法来计算 Routing Table
• 路由器会以下信息发给自己邻居
  • 通过 UDP 发送 RIP 信息
  • Routing Table

这个怎么感觉和上面的讲的 Distance Vector 算法差不多呀？哎，你有这感觉就对了。所以说这些协议就是上面算法的实现而已。我们来看个例子吧。

A 将自己的 Routing Table 发给 B，B 就会更新自己的 Routing Table，就是这么简单！

不过呢，这个协议也有自己的缺点:

1. 特别依赖邻居的信息，如果不设置一个值，路由器之间会不断发自己的 Routing Table 给对方，严重一点还会出现循环发包情况。所以一般会设置一个 Counter 值来看这个信息已经经过多少个路由器了。
2. 因为每个路由器更新信息都依赖于相邻的人，所以当网络结构变了后，要一个一个传来更新，更新速度比较慢。
3. 要关键的是，这个协议已经不用了，Rest In Peace.

OSPF

OSPF 也叫做 Open Shortest Path First。这个协议也是属于 IGP 的。下面是它的实现。

• 使用 Link-State 算法
  • 每个路由器都会存放一个完整的 AS 网络结构
  • 会将 Link State 信息发给每个路由器
  • 使用 Dijkstra 算法
• OSPF 会在整个 AS 里将信息广播到全部路由器
  • 使用 IP 层来完成

既然要存放全局信息就要存在大容量数据结构里，而不是一张小表格，所以这些数据存放在数据库里，其中包含了 LSDB (Link State Database) 和存放整个网络拓扑结构的数据库。流程如下

当 AS 的网络结构发生变化后，会产生 LSA (Link State Announcement) 来通过所有路由器去完成数据库的更新。每个 LSA 会有一个 ID ，路由器以此来判断是否已经接收过这个 LSA 了。

这些 LSA 有下面几种类型

1. hello：用于与相邻 router 构建连接的，并用来选出 Designated Router (DR) and BackupDesignated Router (BDR )
2. database description (DBD, DD), 包含了简短的数据库信息，用于检测是否和本地数据库一样，不一样就更新
3. link-state request: router 用于获取数据库信息
4. link-state update: 用于回应 LSR，还有更新最新信息
5. link-state acknowledge (LSACK)：告知已经收到了 LSU

再来说说 OSPF 的特点

• 安全：所有的 OSPF 都会有鉴权，会更安全
• 在相同总权重数下允许多条路
• 可以在同一个 domain 下分层

这上面的分层过程中，要注意下面几个点

• 双层结构
  • LSA 只会在同一个 area 出现
  • 每个节点都会有完整的 area 信息
  • 只从 border router 里知道到别的 area 最短路径
• Area Border Router
  • 知道到别的网络最短路径
• Backbone Router
  • Route 会受限于 Backbone Router
• Boundary Router (Gateway) 会连接到别的 AS

BGP

OSPF 说了很多，因为这是比较主流的，下面说一个用于 EGP 的主流协议——BGP (Border Gateway Protocol)。

BGP 又可以分成下面两个

• eBGP (external Border Gateway Protocol): Border Router 从相邻的 AS 里获取子网的 reachability
• iBGP (internal Border Gateway Protocol): 将别的 AS 的 reachability 传给 AS 里的路由器

看起来 iBGP 属于内部 Routing 呀，不对，因为这个主要是用来告知该 AS 路由器里别的 AS 的情况，所以属于外部 Routing。

AS 之间交换 BGP 流程如下

1. AS1 和 AS 2 构建 TCP 连接
2. 交换 BGP 信息
3. 只要是还有连接，那么就会周期性地更新信息

其实 BGP 到这里就没有了，BGP 就是传递其他 AS 的信息的，不是说好要造一个 Routing Table，然后用 XXX 算法来实现么？这就要扯到 Policy 了。

AS 之间的交互

现在要解决的是 AS 之间的交互，就是刚刚说的外部 Routing。我们先想一个简单的思路：求 AS 的最短路径来完成 Routing，好，我给下面的例子

如果用最短路径，左边路径是 3 个 hop，右边是 1 个 hop，难道我就要走右边了么？不见得吧，那有 4 个 Router 呢。所以外部 Routing 要比我们想像得要复杂，不能简简单单地用算法解决，而是应该在不同悦下用不同的方式去做 Routing，这里的 “不同方式” 就是所说的 Policy。流程如下

选择 route

主流怎么选择最“好”路径可以参考下面的标准

• Local preference
• Shortest AS-PATH
• Closest NEXT-HOP
• 额外的标准