[Angular, TypeScript, 路由算法] 模拟IP层路由协议，实现LS算法、洪泛算法、DV算法、路由毒化

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

路由模拟项目介绍

链路状态协议（Link-state routing protocol）和距离向量路由协议（Distance-vector routing protocol）是分组交换（Packet switching）网络中最主要的两种路由协议。本项目的模拟路由器实现了LS路由算法、LS广播洪泛、DV路由算法，以及防止DV路由环路和无穷计数问题的策略。此外还实现了完整的先后端以便研究者经过UI界面自定义网络拓扑、控制路由器、查看路由器信息和日志。

链路状态算法（LS）

LS算法要求网络中每一个节点都收集完整的网络信息，以邻接表的形式存储整个网络的拓扑结构和全部链路的费用，而后根据这个图来运行路由选择算法（在这里咱们选择Dijkstra算法），计算出从本节点到网络中全部其余节点的最低费用路径。

LS广播

为了让每一个节点都知道整个网络的拓扑结构和全部链路费用，每一个节点都要将本身直连的链路信息广播给网络中的全部节点（LS广播）。要广播的信息包括本身的邻居有哪些、到达它们的链路开销分别是多少。

为了更新它自己存储的网络拓扑图，在接收到其余节点的LS广播时，要根据广播中的链路信息更新本身的邻接表。

同时，在接收到其余节点的LS广播时，要将它转发给本身的全部邻居，从而这个LS广播能散播到整个网络。为了不广播风暴（广播包在网络中无休止地传播，致使网络瘫痪），每一个路由器要辨别接收到的LS广播包是否是已经接收过。这能够经过一个广播包中的序列号字段来作到。每台ls路由器，每次广播使用一个递增的序列号，若是屡次收到来自同一台路由器且序号相同的广播，则不更新邻接表，也不转发给邻居，防止广播风暴。

迪杰斯特拉算法（Dijkstra's algorithm）

Dijkstra算法可以计算出图中全部节点到某个节点的最短路径。对于一个图和一个给定的原点，Dijkstra算法不断选择一个距离源点最近且还没有扩展的节点w来扩展，并更新w的邻居节点到原点的距离。最终，全部被扩展的节点就是从原点能够到达的节点，它们被扩展时到原点的距离就是最终的最短距离。

何时触发Dijkstra算法计算出新的路由表

Dijkstra算法的输入就是节点维护的邻接表，所以只要邻接表有更新，就要触发Dijkstra算法计算出新的路由表。
那么邻接表何时会更新呢？有2种状况：

1. 本节点的直连链路发生变化，要更新邻接表中对应的链路。
2. 接收到新的LS广播，要根据LS广播中的信息更新邻接表。

距离向量算法（DV）

DV算法不须要全局网络信息。每一个节点只从直连邻居接收路由通告，执行DV计算，而后将计算结果分发给直连邻居。重复这个过程，直到每一个节点的DV计算结果都与上一次的DV计算结果相同，此时网络中再也不有路由通告，算法终止。

DV算法

DV算法的思想相对比较简单：邻居能到达的节点，我通过这个邻居也能到达，而且我去目标节点的费用 = 我到邻居的费用 + 邻居到目标节点的费用。一个节点的DV存储的就是这个节点能到达哪些节点、费用分别是多少。

DV算法的输入是全部邻居的DV和本身的直连链路信息，输出是本身的DV（也就是路由表）。若是输出的DV与上次输出的不一样，也就是本身的DV发生了变化，那么要将本身的DV通告给全部邻居。

有几点须要注意：

1. 为了保证DV算法的自我终止（网络中再也不有DV通告，也再也不运行DV算法），仅仅当DV发生变化时才通告给邻居。
2. DV的计算彻底不依赖于本身上次计算获得的DV（也就是本身当前的路由表）。

路由环路和无穷计数问题

因为DV算法没有全局网络信息，DV算法中可能会出现路由环路和无穷计数的问题。

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告诉B：A能到达C。因为B没有全局网络信息，它没法知道本身是否已经处于从A到C的路径上。
https://en.wikipedia.org/wiki...

为了不路由环路和无穷计数，咱们使用了Split-horizon routing with poison reverse和Holddown的策略。详见路由器设计文档。

• 路由毒化：若是一个节点A发现节点B变为不可达，那么A就要毒化从A到B的路由（也就是将去往B节点的费用设置为无穷），而且将毒化信息传播给全部邻居。若是A的某个邻居C本来是通过A去往B的，那么C去往B的路由也被毒化，同时C向它的邻居也传播毒化信息，以此类推。这个过程就像是毒性的传播同样。最终，经过A-B链路去往B的那些节点都会被毒化，从而没有路由会再利用这个失效的A-B链路。
• 横向分割：若是节点A是经过B去往C的，那么A不告诉B：“我能到达C”。从而避免再B-C链路失效之后，B选择经过A来到达C。这个方法只能避免2个节点组成的路由环路。
• Holddown：在去往C的路由被毒化的一段时间内，再也不接受邻居通告的任何去往C节点的路由，由于这个路由可能也使用了失效的链路，只不过还没有被毒化。
• 毒性逆转：通常与横向分割和Holddown一块儿使用。若是C接受到A的毒化路由之后也中毒，那么C要把本身毒化后的路由发给A。从而A能更新邻居的DV使其不包含失效的路由。

设计文档

路由器设计

Router类设计图： https://www.processon.com/vie...

咱们的路由器实例是运行在同一台机器上的，它们之间经过UDP进行通讯。

路由器类的主要成员

• prot是本路由器的监听的端口。路由器与路由器之间经过UDP socket进行通讯（交换路由信息、发送普通消息报文）。因为prot确定是全局惟一的，所以咱们也将它用做路由器的标识符。

• neighbors存储直连的邻居信息，包括邻居的port、链路的cost。为了加速查询，它的数据结构是一个以邻居port为key的Map。

  • 它是网络拓扑变化的根原本源，它的更新会触发ls算法或dv算法的执行、ls广播或dv通告。
  • 当修改网络拓扑时，修改它，网络拓扑的变化信息就能扩散到整个网络
  • adjacencyList、DVs的更新从根本上来讲都来自于它的更新。
  • 详见 https://www.processon.com/dia...
  • 算法为ls时，将它广播到整个网络
  • 算法为dv时，在计算本身的dv（也就是路由表）的时候须要用到它

• routeTable是路由器的路由表。用来转发数据包。

  • 它是ls或dv的计算结果，不要直接修改routeTable，而是修改数据来源（也就是neighbors或adjacencyList或neighborsDVs），而后触发路由算法，从而更新路由表。
  • 道理相似于：咱们不该该直接修改编译器的输出代码，而应该去修改输入编译器的源代码，而后从新编译。从而输出会相应地改变。

• adjacencyList只在链路算法为ls的时候使用，它是存储了整个网络信息的邻接表。当接收到ls广播，或本身的直连链路变化（也就是neighbors变化），都要触发它的更新。

  • 使用邻接链表运行Dijkstra算法时，要忽略那些单向的链路（也就是说，若是A的邻居中有B，但B的邻居中没有A，那么不算这条链路）。
  • Dijkstra算法的输出只包括从本节点可达的节点，利用这一点，能够按期将adjacencyList中已经不可达的节点的邻居表删除。
• neighborsDVs（在设计图中的DVs）维护了全部邻居发来的DV通告。为了加速存取，它的数据结构是以邻居port为key的Map。

先后端设计

前端是用Angular5和typescript制做的简单UI，运行在浏览器中；后端是用Node.js写的服务器，模拟路由是彻底在后端进行的。前端与后端之间经过WebSocket而不是HTTP来通讯，以便后端能主动、实时地发送信息给前端显示。

前端主要包含4个部分：

1. BackendService负责经过WebSocket与后端进行通讯；
2. NetworkService负责根据后端发来的消息来绘制UI，并响应用户在UI上的操做；
3. PanelComponent负责展现用户选中的路由器或链路的信息，并提供一些针对选中对象的操做。
4. Chrome（或其余浏览器）控制台。后端运行的路由器实例产生的日志将经过Websocket链接发送到前端，前端将日志打印在控制台。用户若是想要查看路由器的运行过程须要打开控制台再刷新页面。因为浏览器的控制台自带filter功能，用户能够选择只查看某个路由器发出的日志、某种操做发出的日志。

后端主要包含3个文件：

1. server.ts负责监听WebSocket端口、调用RouterController来操做路由器和链路；
2. RouterController.ts负责维护并操做网络中全部的路由器实例，好比链接路由器、关闭路由器、改变路由器之间的链路，它提供操做网络的接口给server.ts；
3. router.ts定义了路由器类，其实现了ls算法和dv算法，并提供操做单个路由器的接口给RouterController.ts。

配置和运行

先安装node.js。
克隆这个仓库，切换到dev分支。

1. 运行后端程序。命令行进入server文件夹，依次执行“npm install”来安装后端依赖，“npm run build”来编译后端项目（此命令会一直监视文件变化并从新编译）。再打开一个命令行窗口并进入server文件夹，执行“npm run serve”来运行后端项目，看到server is listening on port 8999表示服务端成功运行。

1. 运行前端程序。而后从命令行进入client文件夹，依次执行“npm install”和“ng serve”。看到已下信息表示客户端网页已经能够能够访问。

打开浏览器，访问“http://localhost:4200/”便可。若是还想要查看路由器日志能够打开浏览器控制台并刷新页面。若是出现“socket发生错误，点击肯定刷新页面”弹窗，表示客户端没法经过WebSocket链接到后端，请确保后端正在运行。

默认状况下，运行的是dv算法的路由器。若是要换成ls算法，修改“router.ts”的这一行：

将“dv”改成“ls”（“npm run build”命令行窗口会监测到变化并从新编译）。而后从新执行“npm run serve”来运行后端项目。

运行结果

左上角的操做栏能够添加、删除路由器和链路。点击路由器或链路，会在右边栏显示它的信息和一些操做。路由日志显示在浏览器控制台中，若是想要只查看某个路由器的日志或某个操做的日志，只须要在控制带的Filter输入框中输入过滤字符串，好比“9014log”，或“route table has changed”。

能够经过这个项目来自定义网络拓扑、操做网络拓扑，并观察路由表的变化。具体的例子在视频中展现。

阅读资料

《计算机网络 自顶向下方法 第六版》
https://en.wikipedia.org/wiki...
https://en.wikipedia.org/wiki...
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