動態路由

為什麼要讓路由器自己交換路由

上一課的路由都是手動加的。兩三台路由器還好，但學校的網路可能有幾十台路由器、幾百個網段，手動維護會遇到三個問題：

動態路由協定（dynamic routing protocol）讓路由器彼此交換「我知道哪些網段、怎麼到」，自動算出路由表； 線路斷了或恢復，也會自動重算。所有路由器的路由表重新變得一致、不再改變的狀態，叫做收斂（convergence）。

在一個單位內部使用的動態路由協定，主要有兩大類做法：

這一課用模擬器實際看這兩種做法怎麼運作。最後再看單位與單位之間，也就是整個網際網路，用的 BGP。

距離向量：告訴鄰居我知道什麼

距離向量的規則很簡單，每台路由器定期做同一件事：

1. 把自己的路由表（每個目的網段、距離）告訴每一個鄰居
2. 收到鄰居的表時，對每個網段算「鄰居說的距離＋我到鄰居的距離」
3. 如果比自己原本知道的更近（或這個網段原本就是經過這個鄰居），就更新路由表，下一跳設為那個鄰居

例如 R2 告訴 R1：「10.0.3.0/24 離我 1 跳」，R1 到 R2 是 1 跳，所以 R1 記下「10.0.3.0/24：2 跳，下一跳 R2」。 每台路由器都只相信鄰居說的話，不知道整張網路長什麼樣子；這種算法就是 Bellman-Ford 演算法。

RIP（Routing Information Protocol）是最經典的距離向量協定。它的距離是跳數（經過幾台路由器），最多 15 跳， 16 代表無法到達；路由器每 30 秒把路由表送給鄰居一次（RIP 第 2 版定義在 RFC 2453）。 距離只看跳數，所以 RIP 分不出一條快的光纖和一條慢的線路，只要跳數一樣就當成一樣好。

下面的模擬器把「每台路由器送一次、收一次」當成一輪，所有路由器同時進行。 真實的 RIP 依各自的計時器送出，順序不會這麼整齊；這裡是為了看清楚每一輪學到了什麼。

計數到無限與水平分割

距離向量只相信鄰居說的話，這會出問題。看一條串成一列的網路：R1 — R2 — R3 — R4。收斂後：

現在 R3–R4 斷了。R3 丟掉經過 R4 的路由，可是 R2 剛剛才說過「10.0.4.0/24 離我 2 跳」， R3 不知道 R2 這條路其實就是經過自己，於是記下「3 跳，下一跳 R2」。接著：

1. R2 聽到 R3 說 3 跳，更新成 4 跳（它的下一跳本來就是 R3，所以要接受變化）
2. R3 聽到 R2 說 4 跳，更新成 5 跳
3. 兩台互相把距離越推越大……

一直數到 16（無法到達）才停止，這叫計數到無限（count to infinity）。這段時間裡，往 10.0.4.0/24 的封包在 R2 和 R3 之間來回繞。 RIP 把無限定成 16，就是為了讓這個過程不要太久；代價是 RIP 的網路直徑最多 15 跳。

水平分割（split horizon）的規則：從哪個鄰居學到的路由，就不要再告訴那個鄰居。 R2 的 10.0.4.0/24 是從 R3 學來的，所以 R2 不會把它告訴 R3；R3 斷線後就找不到別的路，直接標成無法到達，再傳出去。 另一種做法叫毒性逆轉（poisoned reverse）：還是告訴那個鄰居，但距離直接寫 16。RFC 2453 規定 RIP 必須實作水平分割、建議實作毒性逆轉。

水平分割擋得住兩台路由器之間的互相誤導；三台以上路由器組成的環還是可能發生計數到無限，所以實際的協定還搭配其他計時器機制。

連結狀態：每台路由器都有一張完整的地圖

連結狀態換了一個思路：與其傳「我覺得某網段多遠」，不如讓每台路由器都拿到整張網路的地圖，自己算。

1. 每台路由器描述自己的連線：接了哪些鄰居、每條線的成本（cost），寫成一份連結狀態通告（LSA，link-state advertisement），附上序號
2. 把 LSA 洪泛（flooding）出去：收到新的 LSA，就轉給除了來源以外的所有鄰居；序號比手上舊的就丟掉。最後區域內每台路由器的連結狀態資料庫都一樣
3. 每台路由器以自己為起點，用 Dijkstra 最短路徑演算法算出到每個網段成本最低的路，只把「第一步往哪走」（下一跳）寫進路由表

OSPF（Open Shortest Path First）是最常見的連結狀態協定，第 2 版定義在 RFC 2328。和 RIP 比較：

網路很大時，OSPF 會把網路分成幾個區域（area），每個區域內洪泛詳細的 LSA，區域之間只交換摘要，讓地圖不會大到算不動。 下面模擬器的成本標在每條線上；跳數最少的路不一定是成本最低的路。

自治系統與 BGP：網際網路之間的路由

RIP 和 OSPF 都用在一個單位內部。整個網際網路由幾萬個獨立管理的網路組成：電信業者、雲端業者、學術網路、大型企業…… 每一個由同一個單位管理、對外有一致路由政策的網路，叫一個自治系統（AS，autonomous system），有自己的 AS 編號。

BGP 是一種路徑向量（path vector）協定：它告訴鄰居的不只是距離，而是到某個網段要經過哪些 AS 的清單（AS_PATH）。 收到的路徑裡如果已經有自己的 AS 編號，就知道是迴圈、直接丟掉，所以不會計數到無限。BGP 的鄰居之間用 TCP 連線（連接埠 179）交換路由。

為什麼網際網路之間不選最短的路？因為每個 AS 背後是一個單位，有自己的考量：

• 商業關係：付錢給上游業者的線路，和免費互相交換流量的線路，成本完全不同；業者通常優先走自己有收入或免費的路
• 不幫別人轉送：一個單位只想讓自己的流量經過，不想讓兩個外人的流量借道
• 可靠度與法規：有些流量要避開特定的路徑

所以 BGP 先依管理者設定的政策挑選路由，政策相同時才比較 AS 路徑的長短等條件。 這也表示一個 AS 宣告了錯誤的路由，其他 AS 若照單全收，流量就可能被導到錯誤的地方；所以業者會過濾鄰居宣告的路由，只接受合理的網段。

重點整理

• 動態路由協定讓路由器自動交換路由、在線路變化後重新收斂；手動的靜態路由量大、容易不一致、不會應變。
• 距離向量（RIP）：只把整張路由表告訴鄰居，用「鄰居的距離＋到鄰居的距離」更新；RIP 用跳數，16 代表無法到達。
• 線路斷掉時，距離向量可能計數到無限；水平分割（不把路由告訴教你的鄰居）與毒性逆轉可以避免兩台之間互相誤導。
• 連結狀態（OSPF）：洪泛各自的 LSA，每台都有整張地圖，用 Dijkstra 算成本最低的路；收斂快，但需要較多記憶體與運算。
• 網際網路由許多自治系統組成，彼此用 BGP 交換「經過哪些 AS」的路徑，依政策選路，不一定選最短。

到這裡，路由器之間的事情差不多講完了。可是每台電腦的位址、閘道、DNS 是誰設定的？下一課講 DHCP：電腦一接上網路就自動拿到這些設定。