单播路由——链路状态路由

简介

单播路由是指在一个IP网络中，将数据包从一个源主机发送到目标主机的一种方式。链路状态路由是单播路由的其中一种实现方式，它基于每个路由器掌握的邻居信息，计算出从源主机到目标主机的最短路线，从而实现数据包的传输。

链路状态路由协议有多种，包括OSPF、ISIS等等，它们之间的差别在于路由选择算法、数据包结构、管理机制等等方面。在现实应用中，常用的链路状态路由协议是OSPF（开放最短路径优先协议）。

优点

链路状态路由的优点主要体现在以下几个方面：

• 计算得到的路径是最短路径，可以有效地减少数据包的传输时间和路由器的负担。
• 支持多种网络拓扑结构，包括星型、环型、树型等等。
• 可以快速调整网络拓扑，例如当某条链路出现问题时，可以迅速计算出替代路径。

实现

在实现链路状态路由时，通常需要完成以下几个步骤：

1. 发现邻居路由器并确认它们的状态。
2. 将路由器自己的状态告诉邻居，并收集邻居的状态信息。
3. 计算出到各个目的地的最优路径，并存储在路由表中。
4. 使用路由表转发数据包。

这部分主要介绍如何使用Python语言实现简单的链路状态路由功能。具体实现过程需要使用Python的socket、threading、select等模块，读者可以自行深入学习。

发现邻居路由器

在链路状态路由中，每一个路由器需要定期向其邻居发送"hello"消息，以建立邻居关系，并确认邻居当前的状态。下面是Python代码片段，演示如何发送和接收"hello"消息：

import socket
import threading

class Neighbor(object):
  def __init__(self, ip, port):
    self.ip = ip
    self.port = port
    self.socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    self.socket.bind((self.ip, self.port))
    self.socket.settimeout(1)
    self.state = "DOWN"
  
  def run(self):
    while True:
      self.socket.sendto("hello", (self.ip, self.port))
      try:
        data, addr = self.socket.recvfrom(1024)
        self.state = "UP"
      except socket.timeout:
        self.state = "DOWN"
      time.sleep(1)
  
  def __str__(self):
    return "{},{}".format(self.ip, self.port)

通过以上代码，可以创建一个Neighbor类，实例化对象时需要传入ip和port参数，调用run()方法开始发送和接收"hello"消息，并定期检查邻居状态。这里使用了socket模块实现UDP数据包的发送和接收。

确认路由表

在链路状态路由中，每个路由器需要维护一个路由表，记录从它到各个目的地的最优路径。下面是Python代码片段，演示如何初始化和使用路由表：

class RoutingTable(object):
  def __init__(self, router_id):
    self.router_id = router_id
    self.table = {}
  
  def update(self, dest_id, next_hop_id, cost):
    if dest_id not in self.table or self.table.get(dest_id)[1] > cost:
      self.table[dest_id] = (next_hop_id, cost)
  
  def get_next_hop(self, dest_id):
    if dest_id in self.table:
      return self.table.get(dest_id)[0]
    return None
  
  def __str__(self):
    result = "Routing table for router {}:\n".format(self.router_id)
    for dest_id in self.table:
      result += "{} -> {} (cost {})\n".format(dest_id, self.table.get(dest_id)[0], self.table.get(dest_id)[1])
    return result

通过以上代码，可以创建一个RoutingTable类，实例化对象时需要传入router_id参数，在使用时可以调用update()和get_next_hop()方法更新和查询路由表的状态。这里使用了Python字典数据结构实现路由表。

计算最短路径

在链路状态路由中，最短路径的计算可以使用Dijkstra算法。下面是Python代码片段，演示如何使用Dijkstra算法计算从当前路由器到目的地的最短路径：

import heapq

class Dijkstra(object):
  def __init__(self, router_id, graph):
    self.router_id = router_id
    self.graph = graph
    self.distances = {}
    self.prevs = {}
  
  def calculate_shortest_path(self):
    for node in self.graph:
      self.distances[node] = float('inf')
      self.prevs[node] = None
    self.distances[self.router_id] = 0
    heap = [(0, self.router_id)]
    while heap:
      (distance, current_id) = heapq.heappop(heap)
      if distance > self.distances[current_id]:
        continue
      for neighbor_id, cost in self.graph[current_id].items():
        new_distance = distance + cost
        if new_distance < self.distances[neighbor_id]:
          self.distances[neighbor_id] = new_distance
          self.prevs[neighbor_id] = current_id
          heapq.heappush(heap, (new_distance, neighbor_id))
  
  def get_shortest_path(self, dest_id):
    path = []
    node = dest_id
    while node != self.router_id:
      path.append(node)
      node = self.prevs[node]
    path.append(self.router_id)
    path.reverse()
    return path

通过以上代码，可以创建一个Dijkstra类，实例化对象时需要传入router_id和graph参数，其中graph表示路由器的邻居图。使用时可以调用calculate_shortest_path()方法计算最短路径，调用get_shortest_path()方法查询从当前路由器到目的地的最短路径。这里使用了heapq模块实现堆数据结构。