[Angular, TypeScript, 路由算法] 模擬IP層路由協議，實現LS算法、洪泛算法、DV算法、路由毒化

時間 2020-04-06

標籤 angular typescript 路由算法模擬路由協議實現毒化欄目 AngularJS 简体版

原文原文鏈接

Github: https://github.com/Joilence/n...前端

路由模擬項目介紹

鏈路狀態協議（Link-state routing protocol）和距離向量路由協議（Distance-vector routing protocol）是分組交換（Packet switching）網絡中最主要的兩種路由協議。本項目的模擬路由器實現了LS路由算法、LS廣播洪泛、DV路由算法，以及防止DV路由環路和無窮計數問題的策略。此外還實現了完整的先後端以便研究者經過UI界面自定義網絡拓撲、控制路由器、查看路由器信息和日誌。node

鏈路狀態算法（LS）

LS算法要求網絡中每一個節點都收集完整的網絡信息，以鄰接表的形式存儲整個網絡的拓撲結構和全部鏈路的費用，而後根據這個圖來運行路由選擇算法（在這裏咱們選擇Dijkstra算法），計算出從本節點到網絡中全部其餘節點的最低費用路徑。git

LS廣播

爲了讓每一個節點都知道整個網絡的拓撲結構和全部鏈路費用，每一個節點都要將本身直連的鏈路信息廣播給網絡中的全部節點（LS廣播）。要廣播的信息包括本身的鄰居有哪些、到達它們的鏈路開銷分別是多少。github

爲了更新它自己存儲的網絡拓撲圖，在接收到其餘節點的LS廣播時，要根據廣播中的鏈路信息更新本身的鄰接表。算法

同時，在接收到其餘節點的LS廣播時，要將它轉發給本身的全部鄰居，從而這個LS廣播能散播到整個網絡。爲了不廣播風暴（廣播包在網絡中無休止地傳播，致使網絡癱瘓），每一個路由器要辨別接收到的LS廣播包是否是已經接收過。這能夠經過一個廣播包中的序列號字段來作到。每臺ls路由器，每次廣播使用一個遞增的序列號，若是屢次收到來自同一臺路由器且序號相同的廣播，則不更新鄰接表，也不轉發給鄰居，防止廣播風暴。typescript

迪傑斯特拉算法（Dijkstra's algorithm）

Dijkstra算法可以計算出圖中全部節點到某個節點的最短路徑。對於一個圖和一個給定的原點，Dijkstra算法不斷選擇一個距離源點最近且還沒有擴展的節點w來擴展，並更新w的鄰居節點到原點的距離。最終，全部被擴展的節點就是從原點能夠到達的節點，它們被擴展時到原點的距離就是最終的最短距離。
npm

何時觸發Dijkstra算法計算出新的路由表

Dijkstra算法的輸入就是節點維護的鄰接表，所以只要鄰接表有更新，就要觸發Dijkstra算法計算出新的路由表。
那麼鄰接表何時會更新呢？有2種狀況：後端

本節點的直連鏈路發生變化，要更新鄰接表中對應的鏈路。
接收到新的LS廣播，要根據LS廣播中的信息更新鄰接表。

距離向量算法（DV）

DV算法不須要全局網絡信息。每一個節點只從直連鄰居接收路由通告，執行DV計算，而後將計算結果分發給直連鄰居。重複這個過程，直到每一個節點的DV計算結果都與上一次的DV計算結果相同，此時網絡中再也不有路由通告，算法終止。瀏覽器

DV算法

DV算法的思想相對比較簡單：鄰居能到達的節點，我通過這個鄰居也能到達，而且我去目標節點的費用 = 我到鄰居的費用 + 鄰居到目標節點的費用。一個節點的DV存儲的就是這個節點能到達哪些節點、費用分別是多少。
服務器

DV算法的輸入是全部鄰居的DV和本身的直連鏈路信息，輸出是本身的DV（也就是路由表）。若是輸出的DV與上次輸出的不一樣，也就是本身的DV發生了變化，那麼要將本身的DV通告給全部鄰居。

有幾點須要注意：

爲了保證DV算法的自我終止（網絡中再也不有DV通告，也再也不運行DV算法），僅僅當DV發生變化時才通告給鄰居。
DV的計算徹底不依賴於本身上次計算獲得的DV（也就是本身當前的路由表）。

路由環路和無窮計數問題

因爲DV算法沒有全局網絡信息，DV算法中可能會出現路由環路和無窮計數的問題。

The Bellman–Ford algorithm does not prevent routing loops from happening and suffers from the count-to-infinity problem. The core of the count-to-infinity problem is that if A tells B that it has a path somewhere, there is no way for B to know if the path has B as a part of it.
若是A告訴B：A能到達C。因爲B沒有全局網絡信息，它沒法知道本身是否已經處於從A到C的路徑上。
https://en.wikipedia.org/wiki...

爲了不路由環路和無窮計數，咱們使用了Split-horizon routing with poison reverse和Holddown的策略。詳見路由器設計文檔。

路由毒化：若是一個節點A發現節點B變爲不可達，那麼A就要毒化從A到B的路由（也就是將去往B節點的費用設置爲無窮），而且將毒化信息傳播給全部鄰居。若是A的某個鄰居C本來是通過A去往B的，那麼C去往B的路由也被毒化，同時C向它的鄰居也傳播毒化信息，以此類推。這個過程就像是毒性的傳播同樣。最終，經過A-B鏈路去往B的那些節點都會被毒化，從而沒有路由會再利用這個失效的A-B鏈路。
橫向分割：若是節點A是經過B去往C的，那麼A不告訴B：「我能到達C」。從而避免再B-C鏈路失效之後，B選擇經過A來到達C。這個方法只能避免2個節點組成的路由環路。
Holddown：在去往C的路由被毒化的一段時間內，再也不接受鄰居通告的任何去往C節點的路由，由於這個路由可能也使用了失效的鏈路，只不過還沒有被毒化。
毒性逆轉：通常與橫向分割和Holddown一塊兒使用。若是C接受到A的毒化路由之後也中毒，那麼C要把本身毒化後的路由發給A。從而A能更新鄰居的DV使其不包含失效的路由。

設計文檔

路由器設計

Router類設計圖： https://www.processon.com/vie...

咱們的路由器實例是運行在同一臺機器上的，它們之間經過UDP進行通訊。

路由器類的主要成員

prot是本路由器的監聽的端口。路由器與路由器之間經過UDP socket進行通訊（交換路由信息、發送普通消息報文）。因爲prot確定是全局惟一的，所以咱們也將它用做路由器的標識符。
neighbors存儲直連的鄰居信息，包括鄰居的port、鏈路的cost。爲了加速查詢，它的數據結構是一個以鄰居port爲key的Map。
- 它是網絡拓撲變化的根原本源，它的更新會觸發ls算法或dv算法的執行、ls廣播或dv通告。
- 當修改網絡拓撲時，修改它，網絡拓撲的變化信息就能擴散到整個網絡
- adjacencyList、DVs的更新從根本上來講都來自於它的更新。
- 詳見 https://www.processon.com/dia...
- 算法爲ls時，將它廣播到整個網絡
- 算法爲dv時，在計算本身的dv（也就是路由表）的時候須要用到它
routeTable是路由器的路由表。用來轉發數據包。
- 它是ls或dv的計算結果，不要直接修改routeTable，而是修改數據來源（也就是neighbors或adjacencyList或neighborsDVs），而後觸發路由算法，從而更新路由表。
- 道理相似於：咱們不該該直接修改編譯器的輸出代碼，而應該去修改輸入編譯器的源代碼，而後從新編譯。從而輸出會相應地改變。
adjacencyList只在鏈路算法爲ls的時候使用，它是存儲了整個網絡信息的鄰接表。當接收到ls廣播，或本身的直連鏈路變化（也就是neighbors變化），都要觸發它的更新。
- 使用鄰接鏈表運行Dijkstra算法時，要忽略那些單向的鏈路（也就是說，若是A的鄰居中有B，但B的鄰居中沒有A，那麼不算這條鏈路）。
- Dijkstra算法的輸出只包括從本節點可達的節點，利用這一點，能夠按期將adjacencyList中已經不可達的節點的鄰居表刪除。
neighborsDVs（在設計圖中的DVs）維護了全部鄰居發來的DV通告。爲了加速存取，它的數據結構是以鄰居port爲key的Map。

先後端設計

前端是用Angular5和typescript製做的簡單UI，運行在瀏覽器中；後端是用Node.js寫的服務器，模擬路由是徹底在後端進行的。前端與後端之間經過WebSocket而不是HTTP來通訊，以便後端能主動、實時地發送信息給前端顯示。

前端主要包含4個部分：

BackendService負責經過WebSocket與後端進行通訊；
NetworkService負責根據後端發來的消息來繪製UI，並響應用戶在UI上的操做；
PanelComponent負責展現用戶選中的路由器或鏈路的信息，並提供一些針對選中對象的操做。
Chrome（或其餘瀏覽器）控制檯。後端運行的路由器實例產生的日誌將經過Websocket鏈接發送到前端，前端將日誌打印在控制檯。用戶若是想要查看路由器的運行過程須要打開控制檯再刷新頁面。因爲瀏覽器的控制檯自帶filter功能，用戶能夠選擇只查看某個路由器發出的日誌、某種操做發出的日誌。

後端主要包含3個文件：

server.ts負責監聽WebSocket端口、調用RouterController來操做路由器和鏈路；
RouterController.ts負責維護並操做網絡中全部的路由器實例，好比鏈接路由器、關閉路由器、改變路由器之間的鏈路，它提供操做網絡的接口給server.ts；
router.ts定義了路由器類，其實現了ls算法和dv算法，並提供操做單個路由器的接口給RouterController.ts。

配置和運行

先安裝node.js。
克隆這個倉庫，切換到dev分支。

運行後端程序。命令行進入server文件夾，依次執行「npm install」來安裝後端依賴，「npm run build」來編譯後端項目（此命令會一直監視文件變化並從新編譯）。再打開一個命令行窗口並進入server文件夾，執行「npm run serve」來運行後端項目，看到server is listening on port 8999表示服務端成功運行。

運行前端程序。而後從命令行進入client文件夾，依次執行「npm install」和「ng serve」。看到已下信息表示客戶端網頁已經能夠能夠訪問。

打開瀏覽器，訪問「http://localhost:4200/」便可。若是還想要查看路由器日誌能夠打開瀏覽器控制檯並刷新頁面。若是出現「socket發生錯誤，點擊肯定刷新頁面」彈窗，表示客戶端沒法經過WebSocket鏈接到後端，請確保後端正在運行。

默認狀況下，運行的是dv算法的路由器。若是要換成ls算法，修改「router.ts」的這一行：

將「dv」改成「ls」（「npm run build」命令行窗口會監測到變化並從新編譯）。而後從新執行「npm run serve」來運行後端項目。

運行結果

左上角的操做欄能夠添加、刪除路由器和鏈路。點擊路由器或鏈路，會在右邊欄顯示它的信息和一些操做。路由日誌顯示在瀏覽器控制檯中，若是想要只查看某個路由器的日誌或某個操做的日誌，只須要在控制帶的Filter輸入框中輸入過濾字符串，好比「9014log」，或「route table has changed」。