计算机网络论文
大专计算机网络技术毕业论强推参考范文10篇之第十篇：一代IP网络中的路由技术研究
摘要：IP网络已经成为飞速发展的信息网络的代表性成果， 覆盖了全球的网络。路由器技术作为新一代IP网络的关键技术， 具有极大的研究价值与意义。随着网络的全球性覆盖、互联网用户急剧增长， 网络带宽的迅速增加、数据业务呈爆炸性增长， 随着网络的普及， 用户对服务质量需求精益求精， 网络的规模、速度、种类和应用等都要进行适应性的改变， 网络体系本身的变化导致作为网络核心的路由体系结构也将发生巨大变化。本文旨在对新一代IP网络中的路由技术进行探索性研究。
关键词：TCP/IP网络； 距离向量路由算法； RIP协议； 触发更新；
一、Introduction
从应用角度来讲， 随着计算机技术的发展， 人类已经步入了网络时代， 而互联网技术的快速发展， 已经渗透到人们生活的每个角落， 彻底改变了人类使用及获取信息的方式和生活习惯， 是人类历史发展中的一个伟大的里程碑。互联网是一个巨大的信息和服务资源提供者， 它提供了各种各样简单而又快捷的通信与信息检索手段。通过互联网， 全世界范围内的人们既可以即时通信， 交流思想， 又可以获得各个方面的知识， 开阔眼界， 提升自我价值和社会价值。由于通信以及消息传播的速度之快， 使得全世界范围内的思想交流变成了瞬时完成的事， 人们交流的频繁了， 互相之间的感觉就近了， 使世界真正的变成了一个"地球村".
从技术角度来讲， 互联网之间的通信依托网络协议， 网络协议就是网络之间沟通、交流的桥梁， 只有遵循达成共识的规范才能正常、顺利地进行交流。
在网络发展的初期， 国际标准化机构提出了最为著名的网络体系结构OSI-RM.它将网络分为七层结构， 每一层都会有不同的功能， 从最底层开始， 分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、传输层和应用层[1].Internet中端系统之间的通信通过每一层实现不同的功能以及为计算机网络数据交换建立规则的网络协议实现。但由于过于繁琐不适合商用所以逐渐被简洁的TCP/IP逐渐取代。
TCP/IP协议为Internet的标准连接协议， 可分为应用层、运输层、网络层、会话层四层， 其中网络层发挥着至关重要的作用， 不同于数据链路层在两个相邻端点之间进行数据帧的传送， 网络层在此基础上进一步管理网络中的数据通信， 完成将数据从源端传送到目的端的任务， 这其中可能经过若干节点甚至更复杂的网络结构。至此， 网络层向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。路由器就在网络层工作。
事实上， 网络层中的一些协议主要是解决异构网络的互联问题。网络层负责在源结点和目的结点之间建立他们所使用的路由。路由器有数据通道功能和控制功能两大典型功能， 能把许多计算机连接成一个区域网， 可以在其任何接口上接收数据包， 并把数据包转发出去， 将其发送到目的地[2].
通过了解计算机网络技术， 生活中计算机的传输过程不再神秘。本篇论文主要介绍有关网络层的路由技术以及其依托的路由协议算法性能的对比。
二、网络中的路由器
2.1路由功能
路由把信息从源端穿过网络传递到目的端的行为， 是网络互联中的一个重要问题， 也是网络通信中的关键一环。
路由器是一种连接多个网络或网段的网络设备， 数据信息到达路由后， 经过路由内部机制的处理， 能将不同网络或网段进行互联， 从而构成一个更大的网络。
网络层从传输层接收数据， 将其组装成IP数据报， 通过对权值的比较选择最佳的路由路径， 之后IP数据报经过最佳路径路由发送到达目的地。在由多个路由器连接起来的互联网中存在着不同的路径供传输选择。甚至互联网上的每个路由都有可能被用到。那么如何选择最佳的数据传输路径并消耗尽可能少的网络资源， 一直是学术界以及商业界最关注的部分， 一些通信中用于路径选择的算法也逐渐被优化使用于实际网络中的数据传输。
路由包含两个基本动作：确定最佳路径和通过网络传输信息。在路由的过程中， 后者也称为 （数据） 交换。
路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径， 并将该数据有效地传送到目的站点， 实现数据转发的功能[3]:
（1） 选路策略：当分组从互联的网络到达路由器时， 路由器能根据分组的目的地址按某种路由策略， 选择最佳路由， 将分组转发出去， 并能随网络拓扑的变化， 自动调整路由表。
（2） 选路机制：路由器查找路由表， 找到目的对应的出接口， 并决定向哪个接口转发数据， 执行相应的操作。
选路策略由静态路由协议和动态路由协议实现， 选路机制又包含在不同的路由算法中。
静态路由一般由管理员手动输入路由表， 当网络结构改变时需要管理员重新修改路由表。动态路由表则根据协议自助填写路由表， 并且及时更改。在需要时自动计算最佳路由。
计算最佳路由时则需要根据路由算法选择从源到目的地最小代价的路径。路由算法使用最小代价权值确定最佳路径。通常的代价权值有跳数、传输时延、带宽、时间等。
2.2路由算法
路由算法通常具有优化、简单、低耗、健壮、稳定、快速聚合、灵活性等设计目标的一个或多个。目前计算机网络通常使用动态路由算法， 因为这类算法能够适应网络的拓扑和流量变化， 其中最常用的两种动态路由算法是"距离矢量路由算法"和"链路状态路由算法".
（1） 距离向量路由算法
其关键思路是基于距离矢量算法的， 通过判断路径查找到最佳路由， 相邻的路由器之间周期性地交换各自路由表备份。每个路由器维护一张路由表， 以网络中的每个路由器为索引， 表中列出了当前已知的路由器到每个目标路由器的最佳距离， 以及所使用的线路。通过在邻居之间相互交换信息， 路由器不断地更新他们的内部路由表。最为常见的最短路径算法有F算法和D算法两种。其中， F算法的典型应用就是距离向量路由算法。
图1 网络抽象的无向图
如图1所示， F算法的过程可以简述为：假设A到B的权值是1, B到C的权值是3, A到E的权值是4, A到D的权值是2, C到F的权值是3, C到E的权值是5.当A想要向C传送数据时， 首先判断自身周围最近的路由器：A-E=4, A-B=1, A-D=2.在计算E、B, D到C的距离。A-E-C=9, A-B-C=4, 故选择A-B-C路线。
（2） 链路状态路由算法
链路状态路由算法有时也称为最短路径优先算法， 他需要每一个路由器都保存一份关于整个网络的最新网络拓扑。路由器需要维护一个复杂的网络状态数据库， 网络中的路由器之间通过交换链路状态的通告 （LAS） 来建立和更新网络拓扑数据库， 随后使用最短路径优先算法计算出链接网络目标的信息并更新路由表。
2.3路由协议
链路状态路由算法和距离向量路由算法是两种最为流行的算法类型。对于互联网而言， 如果全局采用一致的算法， 那么路由器的动态变化会占用很大的网络带宽。于是可以将互联网划分为若干较小的单位， 即自治系统 （AS） .一个AS是一个包含一定范围的互联网络， 所有路由器必须相互连接， 运行相同的路由协议， 同时分配同一个自治系统编号。在一个AS下使用同一种路由策略， 会方便许多， 每个AS有自己的路由技术。用于自治系统间接口上的单独的协议为外部路由器协议 （EGP） , 用于自治系统内部的路由协议为内部路由器协议 （IGP） ） .外部路由协议只有一个， 而内部路由器协议则是一族。
（1） 内部网关协议 （IGP）
典型的域内协议有：路由信息协议 （RIP） 、依赖于时钟同步消息协议 （HELLO） 和开放最短路径优先 （OSPF） 等。其中是RIP协议应用最为最广泛。
（2） 外部网关协议 （EGP） ）
如源结点和标结点处在不同的AS中， 且两个AS采取的是不同的内部网关协议， EGP路由器只向其自治区域边界上的路由器转发路由选择表信息来获得对方自治系统的路由信息， 从而为IP数据报选择最佳路由。当前BGP是最为常用的外部网关协议。
内部网关协议和外部网关协议相互配合， 使得全网范围内可以实现互相访问。
三、RIP协议中的抑制计时机制
路由器转发数据包， 在进行路由选择时， 汇聚成为网络强壮和脆弱的根源。当网络中拓扑结构发生变化时， 网络中所有路由器都要对新的拓扑达成共识。在这个过程中， 路由器要彼此分享信息， 又要各自独立的计算拓扑变化对自己路由的影响。通过彼此协作， 可以形成对新拓的共识。
网络中的路由器不可能同时检测到拓扑结构的变化， 网络中所有路由器在对新的网络拓扑达成共识之前， 存在一个时间延迟， 这被称为汇聚时间。汇聚对于网络波动的响应能力是其决定作用的。因此选择不同汇聚能力的路由协议显得尤为重要。
RIP （路由信息协议） 是线上网络使用最多的内部网关协议。其内部选路算法使用距离矢量实现。
距离矢量具有慢收敛的特点， 即"好消息传得快， 坏消息传的慢".当网络结点故障或者开销增大时， 网络中的所有路由器需要经过比较长的时间才能获取到此信息。为解决这一问题， RIP可以调整为在广域网链路上抑制路由更新的发送， 而只仅仅在路由有变化时， 将有变化的路由发出去， 这就是RIP的触发更新机制。
触发更新机制[4]是当路由信息发生某些变化时即刻给相邻路由器发送触发更新的信息。若路由器检测到网络拓扑发生变化， 将依次给相邻路由器发送触发更新信息， 如每个路由器均执行此操作， 此更新会很快传播到整个网络。但是触发更新也存在着如下缺点：由于网络有丢包的可能， 包含有更新信息的数据包就有可能被丢掉；如果触发更新信息还没有来得及发送， 路由器就接收到相邻路由器的周期性路由更新信息， 那么路由器就会将错误的路由信息发送给邻居节点更新。在这一机制下一个路由器故障或者更新将引起整个网络的广播雪崩[5].
若在路由器上设置广播机制时对同一讯息的接受和转发不超过一定的次数， 这样在一部分较大的局域网络内， 路由表的更新很快将传遍网络并且网络内的信息也不会过多导致整个线路的堵塞。
为了加快网络收敛速度又可以降低广播风暴的风险， RIP协议中应用了抑制计时机制。抑制计时器可以阻止定期更新的消息在不恰当的时间内重置路由。当路由器从邻居节点获悉以前能够正常访问的网络现在不能访问的更新消息后， 就将该路由标记为不可访问， 并启动一个抑制计时器， 如再次收到从邻居节点发送来的更新信息， 包含一个比原来路径具有更好度量值的路由， 就标记为可访问， 并取消抑制计时器。如在抑制计时器超时之前从不同邻居收到的更新信息包含的度量值比以前的更差， 更新将被忽略， 这样可以有更多的时间让更新信息传遍整个网络。
四、D算法与F算法应用抑制计时的路由更新
RIP中的抑制计时的目的是在缩短收敛时间的同时又减小了广播风暴的可能性。而RIP是采用距离矢量算法的。于是， 本文对比了D算法和F算法在应用中添加抑制计时机制后的性能。
整体思路：
（1） 在有限的网络拓扑范围内进行测试加以选择；
（2） 尝试建立优化模型；
（3） 逐渐扩大范围， 最终得到一个在尽量大的范围内的最优解。
我们采用如图2所示的网络拓扑结构， RIP的定期计时器是设定为25~30秒之间的一个随机值。
图2 模拟网络拓扑
算法步骤：
1） .通过改变连接关系， 模拟小范围的网络拓扑结构的变化；
2） .在算法中加入循环语句， 用以模拟网络环路；
3） .断开R1与子网2的连接；
4） .记录路由器更新的时间；
5） .在已经改变的算法中加入抑制计时；
6） .恢复R1与子网2的连接；
7） .记录路由更新所需的时间， 选择最佳的抑制计时范围 （例如150-200） ;
8） .再在该区间内划分更小梯度加以测试。
结果如表1所示：
由测试结果可以得出
（1） 使用F算法得到全网的最佳路由
第1次拓扑改变时， R1的收敛时间是50秒左右， R2的收敛时间大概是200秒， 类似的， R3的收敛时间也在200秒左右。整个网络的收敛时间大概是200秒。
第2次拓扑改变时， R1的收敛时间是1秒左右， R2的收敛时间大概是3秒， 类似的， R3的收敛时间也在1秒左右。整个网络的收敛时间大概是3秒。
（2） 使用D算法得到全网的最佳路由
第1次拓扑改变时， R1收敛时间大概是60秒， R2的收敛时间大概是230秒， 类似的， R3的收敛时间也在230秒左右。整个网络的收敛时间大概是220秒。
第2次拓扑改变时， R1的收敛时间是3秒左右， R2的收敛时间大概是6秒， 类似的， R3的收敛时间也在6秒左右。整个网络的RIP收敛时间大概是6秒。
五、结论
本文通过模拟RIP协议在网络中工作的方式， 结合触发更新加快收敛时间的特点， 对比了两种最短路径算法的性能。实验结果显示， 在网络拓扑两次发生改变时， 第一次网络拓扑改变传递的是关于网络不可达的坏消息， 整个网络大约240秒收敛；而第二次网络拓扑改变传递的是关于网络可达的好消息， 整个网络大约5秒收敛， 这也证明了RIP协议对好消息 （网络可达） 的传递要快于对坏消息 （网络不可达） 的传递。同时也证明了， F算法的性能略优于D算法的性能。这也符合实际中RIP协议中的最短路径算法更多的采用F算法的事实。
但是为了降低广播风暴的风险， 最佳抑制时间的选取成为一个影响性能的重要因素， 本文对于抑制时间的选取只是随机选取了固定的值， 在本文已有的实验基础上， 通过改变抑制时间的设定， 不再随机取抑制时间， 尝试将抑制计时取特殊值：0, 5, 15, 20, 25, 30, 60……， 并建立数学模型， 求取最优解， 这也是将来需要进一步优化的方向， 并有待进一步的研究和验证。
RIP协议有2种通告机制：定期更新和触发更新。触发更新使网络中的路由处于主动状态， 不用等待定期更新周期完结才能传递网络拓扑变化的消息。使得网络感知更人性化， 也能更快更早发现网络异常， 同时结合抑制计时机制也降低了网络中广播风暴的风险。本文对于这两种方式结合的小型局域网进行了模拟性测试， 而对于真实的大型网络环境， 仍有很多的挑战要去完成。
表1 网络拓扑触发更新测试对比结果
参考文献
[1]谢希仁。计算机网络[M].北京：电子工业出版社， 2008.
[2] 闵应骅。计算机网络路由研究综述[D].北京：中国科学院计算技术研究所信息网络室， 2003.
[3]张宏科， 张思东， 刘文红。路由原理与技术[M].北京：国防工业出版社， 2003.
[4] 孟国防。距离矢量路由算法的缺陷及其优化方法[D].甘肃：西北民族大学计算机与信息工程学院， 2007.
[5]王旸旸， 毕军， 吴建平。互联网覆盖路由技术研究[D].北京：清华大学， 2009.