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網絡小故事 13 · 進階

路路們的情報交換Dynamic Routing（動態路由）與 OSPF（開放最短路徑優先）

城市裡有一百部 Router，誰來更新每一張地圖？

主角：路路、阿帕教授、小比閱讀時間約 10 分鐘

RouterOSPFDynamic Routing

建議先讀：小故事 12「Routing Table」

1. 故事

按「下一步」一步一步看。每一步都有一位角色出場，解釋自己正在做什麼。

序幕：溫習一下

第 1 步／共 11 步

Static Route 的煩惱

上次，網絡管理員人手在我的地圖加了一條 Static Route（靜態路由），我就知道工作室怎樣去。可是網線一斷，Static Route 不會自己更新，小比就被送進死胡同。

動畫文字版（全部步驟）
  1. 序幕：溫習一下
  2. Static Route 的煩惱　路路：上次，網絡管理員人手在我的地圖加了一條 Static Route（靜態路由），我就知道工作室怎樣去。可是網線一斷，Static Route 不會自己更新，小比就被送進死胡同。
  3. 第一幕：三部 Router 的三角形
  4. 多了店舖 Router　路路：網線修好了。隔壁的店舖也有一部 Router，我們三部兩兩相連，成為一個三角形。這樣去工作室就有兩條路：直接去，或者經店舖繞過去。
    • 每條連線都有一個 Cost（成本）：代表「距離」，通常線越快，Cost 越低
    • 這個故事中，三條線的 Cost 都設為 10
  5. 阿帕教授：兩種交換情報的方法　阿帕教授：在很久很久以前……Router 之間已經懂得自動交換情報，這叫 Dynamic Routing（動態路由）。早期的 RIP 只告訴鄰居「我去那裡要經過多少部 Router」；1989 年出現的 OSPF 更聰明：讓每部 Router 都擁有整張地圖。
    • Distance Vector（距離向量）：只聽鄰居說「還有幾遠」，例如 RIP
    • Link State（鏈路狀態）：每部 Router 都有完整地圖，自己計算，例如 OSPF
    • OSPF 全名：Open Shortest Path First（開放最短路徑優先）
  6. 第一步：Hello，鄰居！　路路：開機後，我們每部 Router 定時向鄰居發出 Hello 訊息：「我在這裡！」互相收到 Hello，就成為鄰居。之後大約每 10 秒再打一次招呼，確認大家還在。
    • Dead Interval（失效時間）：40 秒收不到 Hello，就當鄰居已經失去聯絡
  7. 第二步：交換情報 LSA　小比：接著，每部 Router 把自己的情況寫成 LSA（鏈路狀態通告）：「我連著哪些網絡、哪些鄰居，每條線 Cost 多少。」LSA 會傳遍所有 Router。
    • 家中路路的 LSA：「我連著 192.168.1.0/24；鄰居：工作室（Cost 10）、店舖（Cost 10）」
  8. 第三步：同一張地圖　路路：所有 LSA 拼起來，就是一張完整的地圖，叫 LSDB（鏈路狀態資料庫）。我們三部 Router 手上的 LSDB 一模一樣。
  9. 第四步：計算最短的路　路路：每部 Router 用 SPF（最短路徑優先） 演算法計算。我去工作室：直接去 Cost 10；經店舖 Cost 20。直接去較近，於是寫進我的 Routing Table（路由表）。
    • 家中 → 工作室：10 ← 最低
    • 家中 → 店舖 → 工作室：10 ＋ 10 ＝ 20
    • SPF 又叫 Dijkstra 演算法，1956 年由 Edsger Dijkstra 想出
  10. 第二幕：網線又斷了
  11. 發現問題　路路：家中和工作室之間的網線又斷了！我和工作室 Router 立即發現 Port 失去訊號。如果是對方靜靜當機，我們就要等 40 秒收不到 Hello 才會知道。
  12. 發出新的 LSA　小比：路路立即發出新的 LSA：「我和工作室之間的連線沒有了！」工作室 Router 也一樣。店舖 Router 收到後，大家更新 LSDB，重新計算 SPF。
  13. 自動改道　路路：新的計算結果：去工作室要經店舖，Cost 20。我自動更新 Routing Table，小比改走新路線。整個過程，沒有人需要動手！
    • 新路線：家中 → 店舖 → 工作室（Cost 20）
    • 網線修好後，又會自動改回 Cost 10 的直接路線
  14. 總結：路路們的情報網　阿帕教授：OSPF 四部曲：Hello 認識鄰居、LSA 交換情報、拼出同一個 LSDB、用 SPF 各自計算最短路線。公司內部多用 OSPF；互聯網上不同 ISP 之間，則用另一套叫 BGP（邊界閘道協定）的協定。

2. 問題在哪裡

上一個故事，網絡管理員在路路這部 Router（路由器）的 Routing Table（路由表）人手加了一條 Static Route（靜態路由），小比才去得到工作室。

可是 Static Route 有兩個大問題：

  • 網線斷了，不會自己改道。 就算還有另一條路，路路也不知道要改走那條，小比只會被送進死胡同。
  • 網絡一大，人手寫不完。 三部 Router 還可以應付；如果有一百部 Router、幾百個網絡，每加一個網絡，就要登入很多部 Router 逐條修改，很容易出錯。

3. 網絡怎樣解決

與其每張地圖都由人手畫，不如讓 Router 們自己交換情報，再各自畫出地圖。

Router 之間自動交換路線資料、自動更新 Routing Table，叫 Dynamic Routing（動態路由）。

OSPF（開放最短路徑優先）是最常用的一種。它好像一班郵差：先互相打招呼，再把「我身邊有什麼路」寫成情報傳給所有同伴。每位郵差收齊情報，就擁有同一張完整地圖，然後自己計算最短的路。

4. 看深一點

兩種交換情報的方法

方法 做法 例子
Distance Vector（距離向量） 只聽鄰居說「我去那裡要經過多少站、有幾遠」，不知道整張地圖 RIP（路由資訊協定）
Link State（鏈路狀態） 每部 Router 都有完整地圖，自己計算最短路線 OSPF

RIP 只數經過多少部 Router，最多 15 部，而且改道較慢。OSPF 在 1989 年出現，全名是 Open Shortest Path First。「Open」表示它是公開標準，任何廠商都可以使用。

Cost（成本）：每條路的「距離」

OSPF 為每條連線設定一個 Cost。Cost 代表「距離」，通常線越快，Cost 越低。有些設備預設用「參考頻寬 ÷ 線路頻寬」自動計算，網絡管理員也可以人手設定。

這個故事有三部 Router，兩兩相連成一個三角形，三條線的 Cost 都設為 10。

OSPF 四部曲

第一步：Hello，認識鄰居

每部 Router 定時向直接相連的 Router 發出 Hello 訊息：「我在這裡！」互相收到 Hello，而且雙方的基本設定一致，就成為 Neighbor（鄰居）。

之後大約每 10 秒打一次招呼。如果 40 秒收不到 Hello，就當鄰居已經失去聯絡，這段時間叫 Dead Interval（失效時間）。

第二步：交換 LSA（鏈路狀態通告）

每部 Router 把自己的情況寫成 LSA，例如家中路路的 LSA：

我是：家中路路
我連著：192.168.1.0/24
鄰居：工作室 Router（Cost 10）、店舖 Router（Cost 10）

LSA 會一站一站轉交，傳遍所有 Router。

第三步：拼出 LSDB（鏈路狀態資料庫）

所有 LSA 拼起來，就是一張完整的地圖，叫 LSDB。三部 Router 手上的 LSDB 一模一樣。

第四步：用 SPF（最短路徑優先）計算最短路線

每部 Router 以自己為起點，用 SPF 演算法計算去每個網絡的總 Cost。SPF 又叫 Dijkstra 演算法，由電腦科學家 Edsger Dijkstra 在 1956 年想出。

家中路路去工作室的計算：

路線 總 Cost
家中 → 工作室 10 ← 最低，勝出
家中 → 店舖 → 工作室 10 ＋ 10 ＝ 20

計算結果寫進 Routing Table。在 Routing Table 上，這類 Route 的代號是 O，表示由 OSPF 學回來。

網線斷了，會發生什麼事？

  1. 發現問題：家中和工作室之間的網線斷了。兩部 Router 的 Port（連接埠）立即失去訊號，馬上知道；如果是對方靜靜當機、Port 仍然亮燈，就要等 Dead Interval（40 秒）過去才會發現。
  2. 發出新的 LSA：兩部 Router 各自發出新的 LSA：「我們之間的連線沒有了！」店舖 Router 收到後繼續轉交。
  3. 重新計算：大家更新 LSDB，重新計算 SPF。
  4. 自動改道：家中去工作室的新路線是經店舖，Cost 20。路路自動更新 Routing Table，小比改走新路線。

所有 Router 重新得出一致、正確的路線，這個過程叫 Convergence（收斂）。網線修好後，Router 會再交換 LSA，自動改回 Cost 10 的直接路線。

平時網絡沒有變化，Router 之間只靠 Hello 保持聯絡；有變化時才發出新的 LSA（另外每 30 分鐘會重新整理一次），所以不會佔用太多頻寬。

OSPF 用在哪裡？

公司、學校和 ISP（互聯網服務供應商）的內部網絡，多用 OSPF。互聯網上不同 ISP、不同機構之間，則用另一套協定，叫 BGP（邊界閘道協定）。

5. 動手試試

任務：動手計算 SPF

  1. 在紙上畫出三部 Router 的三角形：家中、工作室、店舖。
  2. 把「家中—工作室」的 Cost 改成 30，另外兩條保持 10。
  3. 計算家中去工作室的兩條路線的總 Cost。這次路路會選哪一條？（答案：經店舖，總 Cost 20，比直接去的 30 低。）

小互動

OSPF 的正確次序

三部 Router 剛剛開機。把 OSPF 的五個步驟排好次序。

  1. 所有 LSA 拼成一模一樣的 LSDB
  2. 把計算結果寫進 Routing Table
  3. 發送 Hello，認識鄰居
  4. 用 SPF 計算總 Cost 最低的路線
  5. 交換 LSA，說明自己的連線和 Cost

6. 比喻的極限

  • Router 不會真的「寫信」。 Hello 和 LSA 都是 Router 之間傳送的小封包，由軟件自動處理，速度以毫秒計算。
  • 地圖不一定包括全世界。 大型網絡會把 Router 分成幾個 Area（區域），每個 Area 內的 LSDB 一樣，Area 之間只交換摘要，令地圖不會太大。
  • Cost 不是真正的距離。 Cost 是網絡管理員可以更改的數字，通常反映線路速度，和兩部 Router 相隔幾遠沒有直接關係。
  • 自動不等於不用設定。 網絡管理員仍然要決定在哪些 Port 啟用 OSPF、每條線的 Cost 等等；只是之後的變化由 Router 自動處理。
  • 改道不是瞬間完成。 由發現問題到所有 Router 收斂，需要一點時間；在這段時間內，少量小比仍可能被送錯或丟失。

7. 小測驗

第 1 題，共 3 題OSPF 的 Router 用什麼訊息認識鄰居，並確認對方仍然在線？
第 2 題，共 3 題OSPF 怎樣選擇去某個網絡的路線？
第 3 題，共 3 題以下哪一項不是 Dynamic Routing 相比 Static Route 的好處？

8. 重點筆記

  • Dynamic Routing（動態路由）讓 Router 自動交換情報、自動更新 Routing Table，網線斷了也會自己改道。
  • OSPF 是 Link State（鏈路狀態）協定：每部 Router 都擁有同一張完整地圖，再各自計算。
  • OSPF 四部曲：Hello 認識鄰居 → 交換 LSA → 拼出同一個 LSDB → 用 SPF 計算總 Cost 最低的路線。
  • Hello 大約每 10 秒一次；40 秒（Dead Interval）收不到，就當鄰居失去聯絡。
  • 公司內部多用 OSPF；互聯網上不同 ISP 之間用 BGP（邊界閘道協定）。

延伸閱讀

現在路路們懂得自動找路，家中、工作室和店舖都連起來了。可是家中裝置用的是 Private IP（私人位址），出了互聯網就沒有人認得。下一個故事，路路變身大廈管理處，介紹 NAT（網絡位址轉換）與 Port Forwarding（連接埠轉發）。

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