1 routing protocol. 2 outline router 的運作 routing protocol routing algorithm case studies
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1
Routing Protocol
2
Outline
• Router 的運作• Routing Protocol
• Routing Algorithm
• Case Studies
3
路由器（ Router ）• Router 用於連接 LLC 不同，但
Network Layer 及上層都相同的網路。• Internet 以 Routers 做為中繼站，穿越各個網路轉送 Packet 。
• 企業內部以 Routers 做為子網路交換 Packet 的中心。
4
Router 通訊協定架構
Physical
Data Link
Network
PHY PHY
LAN 1 LAN 2
Router Function
Host A Host B
Session
Transport
Presentation
Application
Physical
Data Link
Network
Session
Transport
Presentation
Application
Network
Data LinkData Link
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Routers 的運作• 讀取收到的 Packet 上的 IP 位址，查詢路由表（ Routing Table ），以得知應從那 一個 Port 將 Packet 送出。
• Router 必須了解兩個協定的 PHY 、 Data Link Layers ，以便和兩個子網路溝通和進行封包的轉換。
• 依據 Routing Table ， Router 會選擇到 Destination 有最短路徑的網路介面，將 Datagram 傳給 Next Hop 。
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路由器 R2 的路由資訊
7
Router R2 路由表
R2 R3R1
8
Routing Table 的建立• Static Routing
• Dynamic Routing
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Static Routing
• 不會與其他 Routers 交換訊息，安全性高，當想隱藏某一部分網路資訊，就可使用 Static Routing 來設定。
• 如果一個網路只能經由一個路徑到達，只要使用 Static Routing 就很足夠，可減少網路 traffic 。
• 要輸入 Default Routing 的資訊。
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Dynamic Routing
• 由於網路結構會不斷改變，無法用 Static Routing ，以節省人力。
• Routers 間要不斷地交換訊息、自動學習改進 Dynamic Routing Table 。
• Routers 之間使用 Routing Protocol 來交換網路的資訊。
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Routing/Routed Protocols
• Routed Protocol ：用封裝 packet 來攜帶data ，像信件的作用。– Ex: IP 、 IPX 、 AppleTalk
• Routing Protocol ：用以選擇最佳路徑來傳送 packets ，像貨運公司的作用。– Ex: OSPF 、 RIP 、 IGRP
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Autonomous System
• 自主系統、網路自治區 (Autonomous System 、 AS)– A group of routers that share routing information
between them.
• Autonomous System 是自然形成，自己管理自己的一個網路系統。
• 每一個 Autonomous System 都有一個編號：自治號碼。– TANET ： 1659 、 Hinet ： 3462 、 Seednet ：
4780 、 FETnet ： 9674 、 ETWebs ： 7481 。
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Routing Protocols
• 各 Autonomous System 自行決定自己的 Routing Paths 。
• 兩大類的 Routing Protocols ：– EGP （ Exterior Gateway Protocol ）：用於讓 Autonomous Systems 間互相交換 Routing Information 的 Protocol 。
– IGP （ Interior Gateway Protocol ）：用於 Autonomous System 內部 Routers 交換路徑的 Protocol 。
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EGP （ 1/2 ）• Exterior Gateway Protocol （外部選徑協定）
• 用於讓 Autonomous Systems 間互相交換 Routing Information 。
Autonomous System 1
Autonomous System 2
使用 EGP
內部使用 IGP 2
內部使用 IGP 1
Border gateway
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EGP （ 2/2 ）
• Routing Information 包含如何經由某些特定 Autonomous Systems ，可到達那些 Network 的資訊。
• 目前只有一種 EGP 在流傳：各 Autonomous Systems 間以 BGP （ Border Gateway Protocol ）來交換路由資訊。– PS ：有一種 Routing Protocol 也取名為
EGP 。
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IGP （ 1/2 ）• Interior Gateway Protocol （內部選徑協定）
• IGP refers to any algorithm that interior routers use when they exchange network reachability and routing information.
Autonomous System 1
Autonomous System 2
使用 EGP
內部使用 IGP 2
內部使用 IGP 1
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IGP （ 2/2 ）• 常見的 IGP ：
RIP 、 OSPF 、 IGPR 、 EIGRP…
• 其他有名的 IGP ：SPREAD 、 NLSP 、 Hello…
• 也有 Autonomous System 使用 BGP 做為 IGP
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Types of Routing Algorithms
• 以 Routers 間交換路徑資訊與處理的方式，可將 Routing Algorithm 分類：– Distance Vector– Link Status– Hybrid
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Distance Vector Algorithm
• 指使用 Propagation 傳遞路由資訊的 Algorithms 。路由資訊包含：– Vector ：代表 Destination– Distance ：到 Destination 的距離
• 以 Routing Table 儲存到各 Destination Network 的 Distance 和 Next Hop 。
• 每一個 Router 都會定期告訴 Neighbors 自己 Routing Table 內所有的資訊。
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Propagation
A
B C D1. 新增一個 D 的網路介面聯到 Network 1
2. 更新 D 的 Routing Table
3. D 傳送更新後的 Routing Table
4. 更新 C 的 Routing Table
5. C 傳送更新後的 Routing Table
6. 更新 A,B 的 Routing Table
• 透過一層一層的傳送，更新 Router 資訊。
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Basic Operations
• Router 在 Boot 後，隨時偵測與 Neighbors 間的連結關係。
• 一開始只有直接相連的網路會列在 Routing Table 上。
• 定期 Router 會送出一份 Routing Table 的 Copy 給 Neighbor 。
• 以收到 Neighbor Routers 送來的資料，選擇新的路徑，修正維護自己的 Routing Table 。
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Network Topology (Original)
0
NET42
NET30
NET 2
NET 1
2
21
1
A
Q
B
A
NET17
1
2
1
2
5
4
3
ML
4
3
2
5
6
NET24
NET 4
2
7
6
5
43
8
4
a
b
4
3
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An Initial Routing Table
Destination Distance Route
Net 1 0 direct
Net 2 0 direct
• This is the routing table for a router A.
• Each entry contains the IP address of network and an integer distance to the network.
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A’s Routing Table at Time t
Destination Distance Route
Net 1 0 direct
Net 2 0 direct
Net 4 8 Router L
Net 17 5 Router M
Net 24 6 Router B
Net 30 2 Router Q
Net 42 2 Router B
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Network Topology (New)
0
NET42
NET30
NET 2
NET 1
2
21
1
A
Q
B
A
NET17
1
2
4
1
2
5
4
3
ML
4
3
2
5
6
NET24
3NET 4
2
7
6
5
43
8
4
a
bZ
4 c
NET21
5
Y
3
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Routing Message from B to A
Destination Distance
Net 1 2
Net 4 3
Net 17 6
Net 21 4
Net 24 5
Net 30 3
Net 42 3
Add a new router Z.
Y is crashed.
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Modified Routing Table
Destination Distance Route
Net 1 0 direct
Net 2 0 direct
Net 4 8 4 Router L B
Net 17 5 Router M
Net 24 6 Router B
Net 30 2 Router Q
Net 42 2 4 Router B
Net 21 5 Router B
A’s Routing Table
at Time t+1
Destination Distance
Net 1 2
Net 4 3 a shorter distance
Net 17 6
Net 21 4 a new destination
Net 24 5
Net 30 3
Net 42 3 Its next hop is B
The B’s advertisement
at Time t
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Properties of Distance Vector
• 只能確定與自己直接連接網路的資訊• 定期傳送整個 Routing Table
• 容易維護• 不需快速 processor 與大量 memory 進行計算
• Converge slowly
• 不適合大 Network
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Connectionless Transport 的問題
• 大部分的 Routing Protocol 使用不可靠的 Connectionless Transport 。
• Routing Protocol 自行找解決方式：– 使用 Checksum 可解決收到錯誤封包問題。– Sequence Number 可處理不照順序傳送的封包。– Soft state 用 Timeout 除去過期的資料– Acknowledgement/Retransmission 可解決封包遺失問題。
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Examples of Distance Vector
• Hello （ for 56kbps NSFNET ）• SPREAD （最後一代 Core Network 使用的 Protocol ）
• GGP （ Gateway-to-Gateway Protocol ）• RIP （ Routing Information Protocol ）• IGRP （ Interior Gateway Routing
Protocol ）
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Link Status Algorithm
• 又稱為 Link State 、 Shortest Path First （ SPF ）。
• 設定時每一 Router 都要先有一份 Complete Topology Information 。
• Router 只送出自己與 Neighbors 間的 Link Status 給其他 Routers 。– Link is Up ： Neighbor 與 Link 都存在。– Link is Down ： Link 中斷。
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Tasks of Link Status
• Router 定期與 Neighbor 交換訊息，以確認對方 Alive 或 Reachable 。
• 每一個 Router 定期送出它自己的 Link Status 給所有其他 Router 。
• 其他 Router 收到並使用此資訊修改自己的 Map of Internet 。並以 Dijkstra Shortest Path Algorithm 重新計算到每個 Destination 的 Shortest Path 。
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Properties of Link Status
• 有整個 Network Topology 的資訊• 大家收到的訊息都相同
– Easy to debug– Guarantee to converge (also fast)
• 需要有快速 processor 與大量 memory 以進行計算
• Link Status 只靠每個 router 的 links ，與網路大小無關 Scaling
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Examples of Link Status
• OSPF （ Open Shortest Path First ）• IS-IS （ Intermediate System to
Intermediate System ）• EIGRP （ Enhanced Interior Gateway
Routing Protocol ）• NLSP
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Hybrid
• 混合 Distance Vector 與 Link Status• Examples of Hybrid ：
– IS-IS （ Intermediate System to Intermediate System ）
– EIGRP （ Extended Interior Gateway Routing Protocol ）
• 收斂快但不需較大的 Memory 與Computing 。
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What Is a Short Routing Path?
• Metric in IGP– Hop count– Delay– Bandwidth– Load– Reliability– MTU– Cost
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BGP （ 1/2 ）• BGP （ Border Gateway Protocol ）
– RFC 1771, BGP version 4
• 唯一流傳的 EGP，但也被用於 IGP 。
BGPSystem
Router
Router
Autonomous System 1
Autonomous System 2
BGPSystem
Router
Router
BGPSystem
Router
Router
Autonomous System 3
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BGP （ 2/2 ）• 和其他 IGP 不同處：
– 使用 IGP 的同一 Autonomous Systems 內的 Router 互相信任，相信其他 Router’s Advertisement ，也廣播自己的 Routing Table 。
– BGP 不信賴其他 Autonomous Systems 的 Routers ，可以有 Policy 決定要送出那些部份 Routes ，以避免其他 Routers 的錯誤擴散。
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3 Basic Functions of BGP
• 建立 2 BGP peers 間的 TCP 連線。– 包含做 Authentication 。
• 送出 Positive 和 Negative Reachability Information 。
• 提供 Ongoing Verification ，以確保網路連結之資料正確。
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BGP Message Headers
– Marker : detect the loss of synchronization: and authenticate incoming message
– Length : total length of message
– Type : type code of message
Length Type
Marker
32bit
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Types of BGP Messages
1 OPEN – 建立好 2 BGP peers 間的 TCP 連線，用 Open 宣告相關的參數。
2 UPDATE– 送出 Positive 和 Negative 路由訊息。
3 NOTIFICATION– 若發現錯誤，用 Notification 告知對方
4 KEEPALIVE – 做為線上的測試。
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OPEN Message
• Initial exchange
Length
Authentication Data
BGP Identifier
Type: OPEN Version
Marker
My Autonomous System Hold Time
Auth. Code
32bit
43
UPDATE Message
• Transfer routing information
Length Type: UPDATE Path Attr -
Marker
Network 1
Network n
- Length
Path Attributes
32bit
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NOTIFICATION Message
• Report the error
Length Type: NOTIFIC.
Marker
Error Code
Error subcodeData
32bit
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KEEPALIVE Message
• Actively test peer connectivity
Length Type: KEEPALIVE
Marker
32bit
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Features of BGP （ 1/2 ）• Inter-autonomous system communication
• Not pure distance vector, also not pure link state protocol.
• Coordination among multiple BGP speakers
• Policy support
• Propagation of Reachability Information
• Next-hop paradigm
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Features of BGP （ 2/2 ）
• Path Information
• Incremental Updates
• Route Aggregation
• Reliable Transport
• Support for classless addressing
• Authentication
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Hello
• Original Core Network (56kbps NSFNET) 使用的 IGP 。目前已走入歷史。
• 屬於 Distance Vector Protocol 。• 以 Delay 做為 Metric 。• 2 Functions of Hello ：
– It synchronizes the clocks among these routers.
– It allows each router to compute the distance of the shortest delay path to destinations.使用 Timestamp 求 Round Trip Delay
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Instability
• Problem of using delay metric is instability.
• Delay measurements are not fix values (i.e., it changed because of many conditions.)– Hardware clock drift (漂移 ), CPU load during
measurement, link-level synchronization
• Using hold down, threshold, K-out-of-N rules, Hello still has instable problem.
• Example: satellite vs. serial lines
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Satellite vs. Serial Lines
• Satellite: high capacity, large delay
• Serial line: low capacity, small delay– Someone sends a lot of data on serial line. – Serial line traffic load and delay ： change
to use satellite.– Serial line traffic load and delay ： change
to use serial line.
Serial line
satellite
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GGP
• GGP （ Gateway-to-Gateway Protocol ）• Original Core Network 使用的 IGP 。目前已走入歷史（ historic ） 。
• 使用 Distance Vector Protocol 。• 以 Hop Count 做為 Metric 。• 直接將資料封裝於 IP Datagram 之上。
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RIP （ 1/2 ）
• RIP （ Routing Information Protocol ）• University of California at Berkeley 首先寫出 routed 做為內部網路交換 Routing Information 。它是使用 Xerox NS Routing Information Protocol 所寫成。
• 隨 FreeBSD ， routed 隨之擴散。• 直到 1988 ， RIP 的 RFC 1058 才出現。
• 適合小型區域網路。
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RIP （ 2/2 ）
• 屬於 Distance Vector Protocol 。• 以 Hop Count 做為 Metric 。• 使用 UDP ， port=520 。• Broadcasting of responses• Update Routing table either at regular 30-
second intervals or triggered• RIP-2 (RFC 2453) support for CIDR,
authentication and multicast transmission
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Initial Routing Table of RIP
14 1 -- 23 1 -- 78 1 --
A
14 1 -- 55 1 --
78 1 -- 92 1 --
55 1 -- 66 1 --
08 1 -- 66 1 --08 1 --
23 1 --
B
E
F
C
DNet 08
Net 66
Net 55
Net 78 Net 92
Net 14
Net 23
55
Next Routing Table of A08 2 E 14 1 -- 23 1 -- 55 2 B 78 1 -- 92 2 F
A
14 1 -- 55 1 --
78 1 -- 92 1 --
08 1 -- 23 1 --
B
E
F
C
DNet 08
Net 66
Net 55
Net 78 Net 92
Net 14
Net 23
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Final Routing Table of RIP
08 2 E 14 1 -- 23 1 -- 55 2 B 66 3 E 78 1 -- 92 2 F
A
08 3 A 14 1 -- 23 2 A 55 1 -- 66 2 C 78 2 A 92 3 A
08 3 A 14 2 A 23 2 A 55 3 A 66 3 A 78 1 -- 92 1 --
08 2 D 14 2 B 23 3 D 55 1 -- 66 1 -- 78 3 B 92 4 B
08 1 -- 14 3 E 23 2 E 55 2 C 66 1 --78 3 E 92 4 E
08 1 -- 14 2 A 23 1 -- 55 3 A 66 2 D 78 2 A 92 3 A
B
E
F
C
DNet 08
Net 66
Net 55
Net 78 Net 92
Net 14
Net 23
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Invalid Hop Count
• The distance of RIP is 1-16.– 1: connected directly– 15: max hop count– 16: invalid
• When a router is crash, its neighbors will never receive any information from it.
• A timer is set and the router is set to be invalid when the timer is expired.– Timer: 180 second in RIP.
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Problems and Solutions of RIP (1/2)
• # of router traffic • Not Optimal
– Manager 可自行更改 metric
• Slow Convergence Problem– Triggered update– Hold down
• Broadcast Avalanche
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Problems and Solutions of RIP (2/2)
• Routing Loop– Split horizon update– Poison reversion
• Count to Infinity– 以 hop count =16 表示 invalid 。– 當 path 很長， hop 數往上加，就會變成
16 ，就當作發生 loop ，移除此 path 。
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Not Optimal in RIP
• The smallest hop count may be not the actually shortest route.
• Solution: RIP allows managers to increase hop count of path 2.
Path 1: Serial line, distance=5, faster
Path 2: Satellite, distance=4, slower
Router will choose Path 2.
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Slow Convergence Problem (1/3)
• 但當 C's interface is down → 不再廣播此網路訊息 → 其他 Router A 必需等到 Timeout (180 sec) 才確定是 Disconnected ，設定 18.4.0.0 unreachable 。
• 如果其它 Router B 廣播他可到達此 Network ，則 Router A 會以 B 取代 C 。
A
B C18.4.0.0
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Slow Convergence Problem (2/3)
• 但如果是以下的網路型態。若其他尚未 Timeout 的 Router D 不知網路已經不通，傳回 connected 的消息，又 Router A 要重新再 Timeout 一次。
D finds 18.4.0.0 timeout
A
D C
D sends its Routing Tables
A finds 18.4.0.0 timeout
18.4.0.0
A finds 18.4.0.0 timeout
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Slow Convergence Problem (3/3)
• 然而當 router 廣播 a short route → 很快所有 router 都設定為此 routing path 。
• 好消息傳得快，壞消息傳得慢。• Solutions to Slow Convergence
– Triggered Update– Hold Down
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Triggered Update
• 當 Router 測得某一網路不通的消息，就要馬上設為 invalid=16, 馬上 Broadcast ，而不會等到下一次的Advertisement 。
• 其他 Gateway 收到 path 故障的消息，也要馬上 Broadcast 。
• 這些 Routers 會同時廣播，會造成 Broadcast Avalanche 。
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Broadcast Avalanche
• 當許多 routers 連結兩個網路。當有一網路不再暢通，所有 routers 都要快速將此壞消息傳送出去，形成 Broadcast Avalanche 。
• RIP 要求 routers 必需 wait a random time before triggered update 。
Network 1
Network 2
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Hold Down (1/2)
• 當 Gateway 收到某一 Network 無法存取的訊息時 (R0 以 Triggered Update 方式通知 ) ，並強迫此 Disconnected 訊息保留一段時間 ( 一般 Hold down timer 設為 60 seconds) ，（ Roughly ）不再接收此網路的訊息，以保證其它所有 Routers 均已收到故障訊息。
• 加快收斂的速度。R1
R2 R0Network N0
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Hold Down (2/2)
• R1 收到 R0 的廣播說 Network N0 無法存取，R1 將 N0 設為 invalid ，起動 Hold down timer 。在 Timeout 之前：– R1 收到其它 Router 如 R2 的訊息，是以較大的
Cost 連上 N0 ， R1 不理會此訊息。– R1 收到其它 Router 如 R2 的訊息，是以較小的
Cost 連上 N0 ， R1 將 N0 設為 valid ，移除 Hold down timer 。
– R1 收到 R0 的廣播說 N0 又可以連上， R1 將 N0 設為 valid ，移除 Hold down timer 。
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Routing Loop (1/2)
• R1 發現 Net 1 已無法相連
• R1 未廣播 Net 1 is invalid 前，先收到 R2 的廣播 (Net1,2) ：
• R2 收到 R1 的廣播：
Network 1R1 R2 R3
Network 1R1 R2 R3 R1 <Net1,1 direct>
R2 <Net1,2,R1>
R1 <Net1,3,R2> R2 <Net1,2,R1>
Network 1R1 R2 R3 R1 <Net1,3 R2>
R2 <Net1,4,R1>
R1 <Net1,16 invalid>
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Routing Loop (2/2)
• A routing loop occurs.
• Finally, R1 收到 R2 的廣播， Net 1 之 distance＝ 16 ，變成 invalid ，視為無法到達。– RIP 設 Max hop value 為 15 、 IGRP 為
255 （ default=100 、 manager 會設為 50 ）
Network 1R1 R2 R3 R1 <Net1,15 R2>
R2 <Net1,14,R1>
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Split Horizon Update
• Gateway 會記錄所接收的資訊是從那一個Router 送來，不會再將更新後的資料回傳給此 Router 。– Ex: R2 是從 R1 得到 Net 1 的消息，所以
R2廣播時，是不會將 Net 1 的消息回傳給 R1 。
– 可消除上例中的 Loop 。• 但無法消除所有的 Loop 。
Network 1R1 R2 R3 R1 <Net1,1 direct>
R2 <Net1,2,R1>
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Poison Reversion
• 規定 Router R2 由 R1 得知 Network 1 無法存取的訊息 (R1 以 Triggered Update 方式通知 ) ， R2 必需將 metric 改為 invalid (16) ， 同時回傳此訊息給 R1 。
Network 1R1 R2 R3 R1 <Net1,1 direct>
R2 <Net1,2,R1>
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Other RIP Rules
• 同一個時間只能有一個 Router 進行 Advertisement ，其他 Routers 必需listen ，以避免 Broadcast Avalanche 。– Random number between 25-35 sec
• 若 Router 收到兩個 path 有相同的 cost ，則會選用先收到的那一條路徑。
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RIP Message FormatsCommand(1) Version(1) Must be Zero(2)
Address Family Identifier(2) Must be Zero(2)
IP Address(4)
Must be Zero(4)
Must be Zero(4)
Metric(4)
RIP-1Command(1) Version(1) Routing Domain(2)
Address Family Identifier(2) Route Tag(2)
IP Address(4)
Subnet Mask(4)
Next Hop(4)
Metric(4)RIP-2Routing Domain : group routers in domains which share routing informationRoute Tag : propagate the information acquired from an EGPSubnet Mask : subnet mask for CIDR implementationNext Hop : next hop addresses that allows for optimization routes
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IGRP （ Interior Gateway Routing Protocol ） (1/2)
• Cisco 於 1980 年代中期發展出的 Protocol 。• 屬於 Distance Vector Protocol 。• 以
Delay 、 Bandwidth 、 Loading 、 Reliability 、 Hop count 、 Ticks 、 cost 做為 Metric 。– Manager 決定 Weight 。以 Bandwidth 最為重要。
• 支援 Multipath Routing （最多 4 paths ），以提高網路的頻寬。
• 可支援較大的網路（ Max hop value=255 ）
75
IGRP （ Interior Gateway Routing Protocol ） (2/2)
• Timer setup ：– 90 sec 傳送一次 Routing Table 。– 270 sec 沒有收到某一 neighbor 的訊息，設此
neighbor 為 invalid 。– 630 sec沒有收到某一 neighbor 的訊息，將此
neighbor 從 Routing table 中移除（稱為 Flush ）。
• 也使用 Hold down （ 280 sec ）、 Poison Reversion 、 Split Horizon update 。
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EIGRP （ Enhanced Interior Gateway Routing Protocol ）
• Cisco 改進 IGRP 的 new protocol 。• 屬於 Hybrid algorithm 。
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IS-IS （ Intermediate System to Intermediate System ）
• 一種 OSI 協定的 Protocol 。• T1 NSFNET Backbone 使用。目前仍有大型的 ISP 採用。
• 屬於 Link Status Protocol or Hybird 。
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OSPF （ Open Shortest Path First ）
• 由 IETF （ Internet Engineering Task Force ）發展出的 Protocol 。
• 屬於 Link Status Protocol 。• 適用於大型網路。• 在判斷最佳路徑時，有考量
Bandwidth 、 Flow 、 Reliability 、 Security 。
• 第一個提出 Multiple routes ，因此可以做 Type of services 、 Load balancing 。
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Areas of OSPF
BorderRouter
Router
Router
BorderRouter
RouterRouter
Router
Router Router
Backbone area
Area 1
Area 2
80
Goal of OSPF （ 1/2 ）
• Open standard
• OSPF includes type of service routing.
• OSPF provides load balancing.
• Network can be partitioned to subsets.– Easy management– Permit network growth
• Authentication
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Goal of OSPF （ 2/2 ）
• OSPF supports classless routes.
• OSPF minimize broadcasts on multi-access network.
• Virtual network topology
• OSPF allows routers to exchange routing information learned form external sites.
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Homework 3
1. 說明使用 Distance Vector Method 會遭遇的問題與解決的方法。
2. 對於 IGP 而言，你認為那些 Metric 適合用於計算到 Destination 的 Distance 。請簡單說明理由。