IPv6單播路由協(xié)議解析

　　作為IP網(wǎng)絡(luò)的主要基礎(chǔ)設(shè)施，路由器在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著絕對主要的地位。路由器廣泛支持的路由協(xié)議主要包括RIP（Routing Information Protocol，路由消息協(xié)議）、OSPF（Open Shortest Path First，開放式最短路徑優(yōu)先）、BGP（Border Gateway Protocol，邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）以及IS-IS（Intermediate System-Intermediate System，中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)）等。

　　隨著IPv6時(shí)代的來臨，上述這些IPv4網(wǎng)絡(luò)使用的路由協(xié)議迫切需要改進(jìn)，以提供對IPv6的支持。這樣，就從IPv4路由協(xié)議中衍生出各種IPv6路由協(xié)議，主要包括RIPng（RIP next generation，下一代路由消息協(xié)議）、OSPFv3、BGP4+和IS-ISv6等。從這些協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程來看，RIPng和OSPFv3較為成熟，已經(jīng)形成RFC；支持IPv6的IS-IS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)草案也已經(jīng)過多次討論修改，標(biāo)準(zhǔn)正在形成之中。

　　IPv6路由協(xié)議

　　RIPng路由協(xié)議

　　RIPng是支持IPv6的距離向量路由協(xié)議，基于UDP（User Datagram Protocol,用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議），使用端口號521發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。RIPng報(bào)文大致分為兩類：選路信息報(bào)文和用于請求信息的報(bào)文。它們都使用相同的格式，由固定的首部和路由表項(xiàng)RTE（Route Table Entry）組成。其中路由表項(xiàng)可以有多個(gè)，基本工作原理是：路由器每隔30s發(fā)送一次RIPng路由信息，如果一個(gè)路由器在180s內(nèi)未收到來自另一個(gè)路由器的更新信息，就會將相應(yīng)的路由標(biāo)記為不可用路由；如果在240s后依然未收到更新信息，則認(rèn)為相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)已不存在，并將路由表中的所有相關(guān)路由項(xiàng)予以刪除。由此可以看出，RIPng對RIP協(xié)議的改變僅僅是允許接收128位地址，沒有增加新特性。這樣做的目的主要是為了保持RIPng的簡單性，使得RIPng網(wǎng)絡(luò)的配置與維護(hù)比較簡單。但它限制了最大跳數(shù)為15，故只適合于企業(yè)建設(shè)小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。

　　OSPFv3路由協(xié)議

　　OSPF意為“開放式最短路徑優(yōu)先”，“開放”是針對當(dāng)時(shí)某些廠家的“私有”路由協(xié)議而言的，而正是因?yàn)殚_放性，它才具有強(qiáng)大的生命力和廣泛的用途。其工作原理是，通過傳遞鏈路狀態(tài)來得到網(wǎng)絡(luò)信息，維護(hù)一張網(wǎng)絡(luò)有向拓?fù)鋱D，利用最小生成樹算法得到路由表。當(dāng)路由器初始化或當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，路由器就會產(chǎn)生鏈路狀態(tài)廣播數(shù)據(jù)報(bào)文，其中包含路由器上所有相連的鏈路，即所有端口的狀態(tài)信息。這些廣播數(shù)據(jù)通過泛洪（flooding）方式在某一個(gè)OSPF區(qū)域內(nèi)進(jìn)行傳送。所謂泛洪是指路由器將其LSA（Link State Advertisement，鏈路狀態(tài)公告）數(shù)據(jù)報(bào)文傳送給所有與其相鄰的OSPF路由器，相鄰路由器根據(jù)收到的鏈路狀態(tài)信息更新自己的數(shù)據(jù)庫，并將該鏈路狀態(tài)轉(zhuǎn)送給與其相鄰的路由器，直至穩(wěn)定的一個(gè)過程。

　　從IPv4到IPv6，OSPF在原理上并沒有發(fā)生變化，仍采用LSA數(shù)據(jù)庫，并保持與鄰接路由器之間的同步。但從IPv4到IPv6的語義發(fā)生了變化，因此，OSPFv3為了支持IPv6地址格式，對OSPFv2協(xié)議進(jìn)行了大量修改。不向位于數(shù)據(jù)包和鏈路狀態(tài)公告起始位置的報(bào)頭插入基于IP的數(shù)據(jù)，而是利用獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的信息來執(zhí)行過去需要IP報(bào)頭數(shù)據(jù)才能完成的關(guān)鍵任務(wù)，如識別發(fā)布路由數(shù)據(jù)的LSA等。除了改變報(bào)頭數(shù)據(jù)以外，OSPFv3還對LSA所發(fā)揮的作用進(jìn)行了重新定義，將公告網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜虸Pv6數(shù)據(jù)的任務(wù)分配到新的和已有的LSA中，OSPFv3的網(wǎng)絡(luò)和路由器LSA不再發(fā)布IP數(shù)據(jù)，路由器只利用它們來識別網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。為公告這些從LSA中刪除的數(shù)據(jù)，OSPFv3引入了兩個(gè)專用IPv6信息：Intra-Area-Prefix-LSA和Link-LSA，前者在本區(qū)域泛洪，后者只在本鏈路區(qū)域泛洪。OSPFv3對數(shù)據(jù)報(bào)文和LSA采取的這些改進(jìn)措施，使得其減少了對IPv6的依賴性，為將來支持新型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了可能。另外，為了簡化復(fù)雜的容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，OSPFv3引入了Instance ID和R-bit選項(xiàng)。作為每個(gè)OSPFv3包頭的一個(gè)組件，Instance ID不再依賴于過去需要的復(fù)雜的認(rèn)證方案或訪問清單就能控制共享物理網(wǎng)絡(luò)與OSPF域路由器之間的通信。R-bit則為服務(wù)器這類最終系統(tǒng)提供了有效冗余性。

　　由上述可知，OSPFv3與OSPFv2相比，雖然在泛洪技術(shù)、路由原理上沒有什么變化，但新增了一些OSPFv2不具備的功能，且具有很好的通用性，為以后的協(xié)議升級提供了便利。

　　IS-ISv6路由協(xié)議

　　IS-IS路由協(xié)議在IPv4中已有不少應(yīng)用，它可以運(yùn)行在一個(gè)單純的CLNS(ConnectionLess Network Service，無連接網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù))環(huán)境、IP環(huán)境或CLNS/IP混合環(huán)境中。由于OSPF借鑒了IS-IS很多的設(shè)計(jì)思路，因此，從表面來看，兩者具有很多共性，比如：都維護(hù)一個(gè)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，并且這個(gè)數(shù)據(jù)庫都來自于一個(gè)基于Dijkstra的SPF（Shortest Path First，最短路徑優(yōu)先）算法得到的一棵最短路徑樹；利用Hello報(bào)文來形成和維護(hù)鄰接關(guān)系；使用區(qū)域的概念來構(gòu)成一個(gè)兩級層次的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；具有在區(qū)域之間提供地址匯總的能力；屬于無類別路由選擇協(xié)議；通過選取一個(gè)指定的路由器來描述廣播型網(wǎng)絡(luò)；具有認(rèn)證能力等。由于IS-IS在設(shè)計(jì)上與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議相對獨(dú)立，因此，它移植到IPv6比OSPF更有優(yōu)越性，可較為方便地?cái)U(kuò)展到IPv6網(wǎng)絡(luò)中。但是，到目前為止，IS-ISv6還未正式形成RFC標(biāo)準(zhǔn)，只有draft-ietf-isis-ipv6.txt標(biāo)準(zhǔn)草案。它通過在IS-IS數(shù)據(jù)報(bào)文（Hello、LSP和SNP）中引入兩個(gè)可變長度的數(shù)據(jù)域TLV（Type、 Length and Value，類型、長度和含義），即IPv6 Reachability TLV和IPv6 Interface Address TLV，以及一個(gè)新的NLPID（Network Layer Protocol IDentifier，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議標(biāo)識）來標(biāo)識IPv6。

　　BGP4+路由協(xié)議

　　BGP用來在自治域之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可達(dá)信息的交換，整個(gè)交換過程要求建立在可靠的傳輸連接基礎(chǔ)上。這樣做有許多好處，比如可以將所有的差錯(cuò)控制功能交給傳輸協(xié)議來處理，而其本身就變得簡單許多。BGP使用TCP作為傳輸協(xié)議，缺省端口號為179，采用路徑向量的概念并對CIDR（Classless Inter-Domain Routing，無級別域內(nèi)路由）提供支持。路徑向量中記錄了路由所經(jīng)路徑上的所有AS（Autonomous System，自治系統(tǒng)）列表，從而可以有效檢測并避免復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的環(huán)路問題。對CIDR的支持，減少了路由表項(xiàng)，從而加速了選路速度，同時(shí)減少了路由器間所要交換的路由信息。另外，BGP一旦與其他BGP路由器建立了對等關(guān)系，僅在最初的初始化過程中交換整個(gè)路由表，此后只有當(dāng)自身路由表發(fā)生改變時(shí)，才會產(chǎn)生更新報(bào)文，發(fā)送給其他路由器。而且該報(bào)文僅包含那些發(fā)生變化的路由，這樣，不但減少了路由器的計(jì)算量，而且節(jié)省了所占帶寬。

　　BGP有4種分組類型：打開分組，用來建立連接；更新分組，用來通告可達(dá)路由和撤銷無效路由；存活分組，周期性地發(fā)送以確保連接的有效性；通告分組，當(dāng)檢測到一個(gè)差錯(cuò)時(shí)即被發(fā)出。

　　支持IPv6的域間路由協(xié)議主要是BGP4+，它在BGP4協(xié)議基礎(chǔ)上，將IPv6網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的信息反映到NLRI（Network Layer Reachable Information，網(wǎng)絡(luò)層可達(dá)信息）及Next_Hop屬性中。它引入的兩個(gè)NLRI屬性是MP_REACH_NLRI和MP_UNREACH_NLRI，分別用來發(fā)布可達(dá)路由和下一跳信息，以及用來撤銷不可達(dá)路由。兩者都是可選非過渡屬性，以便與BGP對端進(jìn)行通信。Next_Hop屬性用IPv6地址標(biāo)識，可以是IPv6全球單播地址或者下一跳的鏈路本地地址。

　　由上述可見，BGP4+利用了BGP的多協(xié)議擴(kuò)展屬性來達(dá)到在IPv6網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的目的，而BGP中的消息機(jī)制和路由機(jī)制在BGP4+中都沒有發(fā)生變化。因此可以說，BGP4+在應(yīng)用場合和工作機(jī)理上與BGP4沒有區(qū)別，只是BGP4的多協(xié)議擴(kuò)展，既可支持IPv4，也可提供IPv6良好的支持。

　　IPv6路由協(xié)議的特點(diǎn)

　　從路由協(xié)議的應(yīng)用范圍來看，OSPFv3、RIPng和IS-ISv6適用于自治域內(nèi)部路由，為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議；BGP4+用來在自治域之間交換網(wǎng)絡(luò)可達(dá)信息，是外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。

　　從各路由協(xié)議的路由算法來看，RIPng采用距離向量算法；IS-ISv6和OSPFv3則采用鏈路狀態(tài)算法。一般來說，基于距離向量算法的路由協(xié)議易于配置和管理，在小型網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用比較廣泛，但用于大型網(wǎng)絡(luò)時(shí)，不但其固有的環(huán)路問題變得更難解決，而且其所占用的帶寬也迅速增長，以至于網(wǎng)絡(luò)無法承受。這時(shí)，會更多地采用鏈路狀態(tài)算法的路由協(xié)議OSPFv3和IS-ISv6。它們與距離向量協(xié)議相比，在路由域中增加了分層系統(tǒng)，因而具有良好的擴(kuò)展性和更多的控制功能，適合于運(yùn)營商建設(shè)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。IS-IS對IPv6的支持只是擴(kuò)展了兩個(gè)TLV，對協(xié)議沒有太大的改動，可以同時(shí)交換IPv4和IPv6的路由信息。OSPFv3則是新的協(xié)議，還沒有經(jīng)過OSPFv2那樣的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營考驗(yàn)，而且只能用來交換IPv6路由信息。但從組網(wǎng)的觀點(diǎn)來看，同在IPv4網(wǎng)絡(luò)中一樣，IS-IS和OSPFv3這兩種路由協(xié)議沒有本質(zhì)區(qū)別。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，從技術(shù)上說，可以選擇這兩種路由協(xié)議的任何一種。但在一般情況下，不推薦核心骨干網(wǎng)在隧道工作方式下運(yùn)行OSPFv3或IS-IS，因?yàn)樵贗Pv4網(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡化的情況下，會引起SPF的頻繁計(jì)算，造成IGP（Interior Gateway Protocol，內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議）路由的不穩(wěn)定。

　　BGP4+處理各ISP間的路由傳遞，是一種域間路由協(xié)議。其特點(diǎn)是有豐富的路由策略，這是RIPng、OSPFv3等協(xié)議無法做到的，因?yàn)樗鼈冃枰�全局的信息�?jì)算路由表。BGP4+通過在ISP邊界路由器上增加一定的策略，選擇過濾路由，把RIPng、OSPFv3、BGP等路由發(fā)送到對方。隨著IPv6試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的大量組建，BGP4+將得到越來越多的應(yīng)用。

　　綜上所述，在IPv6相關(guān)的路由協(xié)議中，無論是新開發(fā)的OSPFv3，還是基于IPv4協(xié)議擴(kuò)展的BGP4+、IS-ISv6等，都是從相關(guān)的IPv4路由協(xié)議演變而來的，旨在提供對IPv6的支持，其應(yīng)用場合、路由思路及優(yōu)缺點(diǎn)并沒有發(fā)生根本改變，沒有真正從IPv4中獨(dú)立出來，不能算作全新的事物。

　　盡管經(jīng)過幾年時(shí)間的發(fā)展，IPv6路由協(xié)議正趨于成熟，但還沒有經(jīng)過像IPv4路由協(xié)議那樣的實(shí)際運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模路由流量和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的考驗(yàn)�，F(xiàn)在，隨著全球各地對IPv6網(wǎng)絡(luò)部署的逐步展開，許多路由器廠商都紛紛推出純IPv6或IPv4/v6雙棧的高/低端路由器，提供對IPv6全套路由協(xié)議的支持，因此，IPv6路由協(xié)議正面臨著實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。它們能否在下一代網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)當(dāng)起路由的重任，或是被其他更優(yōu)、更好的全新路由協(xié)議所取代，我們將拭目以待。但是，可以相信，IPv6路由協(xié)議將在實(shí)踐中得到快速發(fā)展。

----《現(xiàn)代通信》

作者：田東旭 王忠 李竹平 中興通訊股份有限公司深圳技術(shù)中心研究部