網絡協議 6 - 路由協議：敢問路在何方？

    前面例子中，咱們都是在一個局域網內折騰。今天就讓咱們擴大範圍，在多個局域網甚至到廣闊的互聯網世界中遨遊，看看這中間會發生什麼。

    這個過程當中，跨網關訪問是咱們要了解的第一個內容。

跨網關訪問

    當咱們要了解跨網關訪問時，就牽扯到 MAC 地址和 IP 地址的變化，所以，咱們先來看下 MAC 頭和 IP 頭的細節。

MAC 頭和IP 頭的細節

    如圖，在 MAC 頭裏，先是目標 MAC 地址，而後是源 MAC 地址，最後是協議類型。

    在 IP 頭裏，最重要的就是源 IP 地址和目標 IP 地址。除此以外，還有版本號，也就是咱們常說的 IPv4 和 IPv六、服務類型 TOS（表示數據包優先級）、TTL（數據包生存週期）以及標識協議（TCP 和 UDP）

    當咱們訪問博客園時，通過的第一個網關應該就是咱們配置的默認網關。當本機訪問默認網關時，仍是走局域網內部訪問的步驟：

1. 將源地址和目標 IP 地址放入 IP 頭；
2. 經過 ARP 協議得到網關的 MAC 地址；
3. 將源 MAC 地址和網關的 MAC 地址放入 MAC 頭中，發送給網關。

    而咱們的網關，通常就是指家裏的路由器，是一個三層轉發的設備。它會把 MAC 頭和 IP 頭都取下來，而後根據裏面的內容，看看接下來把數據包轉發到哪裏。

    不少狀況下，人們把網關叫作路由器。其實並不許備，用這個比喻應該更爲恰當些：

路由器是一臺設備，它有五個網口或者網卡，至關於有五隻手，分別連着五個局域網。每隻手的 IP 地址都和局域網的 IP 地址有着相同的網段，每隻手都是它握住的那個局域網的網關。

    任何一個想發往其餘局域網的包，都會到達其中一隻手，被拿進來，拿下 MAC 頭和 IP 頭，而後根據本身的路由算法，選擇另外一隻手，加上 IP 頭和 MAC 頭，而後扔出去。

    注意，在上面這個過程當中，有出現路由算法。接下來，咱們就來認識下它。

路由算法

    路由算法，又名選路算法，是提升路由協議功能，儘可能減小路由時所帶來的開銷的算法。

    路由算法能夠根據多個特性來加以區分，找到到達目的地的最佳路由。

路由算法的區分點有不少，有

• 靜態與動態
• 單路徑與多路徑
• 平坦與分層
• 主機智能與路由器智能
• 域內與域間
• 連接狀態與距離向量

    這裏主要介紹靜態與動態路由算法。

靜態路由

    靜態路由算法，實質上是由網關配置好的映射表。

    咱們家裏的路由器，可能會有這樣的路由配置

訪問博客園，從 2 號口出去，下一跳是 IP2；
訪問百度，從 3 號口出去，下一跳是 IP3。

    相似上述這樣的規則就是靜態路由，按照必定的語法保存在路由器裏。

    每當要選擇從哪一個口拋出去的時候，就一條一條的匹配規則，找到符合的規則，就按規則辦事，從指定口拋出去，找下一跳 IP。

過網關的「變」與「不變」

    以前咱們瞭解到，MAC 地址是一個局域網內纔有效的地址。所以，MAC 地址只要過網關，就確定會改變。而 IP 地址在過網關後 ，就不必定會改變了。

    通過網關 A 後，若是IP 地址沒有改變，那 A 就是轉發網關，不然，就是NAT網關。

轉發網關

    如上圖，服務器 A 要訪問服務器 B，要通過過程：

1）服務器 A 到 網關 A

1. 檢查 B 的網段，發現不在同一個網段，所以發給網關
2. 因爲網關的 IP 地址是已經配置好了，所以發送 ARP 獲取網關的 MAC 地址
3. 發送包

而最後發送包的內容主要有：

• 源 MAC：服務器 A 的 MAC
• 模板 MAC：192.168.1.1 網關的 MAC
• 源 IP：192.168.1.101
• 目標 IP：192.168.4.101

    數據包到達 192.168.1.1 這個網口後，網口發現 MAC 地址是它的，就將包收進來，而後開始「思考」往哪裏轉發。

    這時候，路由器 A 中配置了規則 A1：

要訪問 192.168.4.0/24，就從 192.168.56.1 這個網口出去，下一跳是 192.168.56.2

2）網關 A 到 網關 B

    因而，路由器 A 匹配了 A1，要從 192.168.56.1 這個口發出去，發給 192.168.56.2。因而，又開始了這個過程：

1. 檢查 B 的網段，發如今同一個網段， ARP 獲取 MAC 地址
2. 發送包

數據包的內容是：

• 源 MAC：192.168.56.1 的 MAC
• 模板 MAC：192.168.56.2 的 MAC
• 源 IP：192.168.1.101
• 目標 IP：192.168.4.101

    數據包到達 192 .168.56.2 網口，網口發現 MAC 地址是它的，就將包收進來，而後去檢查路由規則。

    路由器 B 配置如下規則 B1：

想訪問 192.168.4.0/24，就從 192.168.4.1

    而路由器 B 發現，它的右網口就是目標地址網段的，所以就沒有下一跳了。

3）網關 B 到 服務器 B

路由器 B 匹配上 B1。從 192.168.4.1 出口，發給 192.168.4.101。數據包內容：

• 源 MAC：192.168.4.1 的 MAC
• 模板 MAC：192.168.4.101 的 MAC
• 源 IP：192.168.1.101
• 目標 IP：192.168.4.101

    服務器 B 收到數據包，發現 MAC 地址是它的，就把包收進來。

    經過上面的過程能夠看出，每到一個新的局域網， MAC 地址都是要變的，而 IP 地址則都不變。在 IP 頭裏面，不會保存任何網關的 IP 地址。

    而咱們說的下一跳，就是某個 IP 要將這個 IP 地址轉換爲 MAC 放入 MAC 頭。

NAT 網關

    NAT 網關，也就是 Network Address Translation。

    因爲各個局域網都有各自的網段，很容易出現 IP 衝突的狀況。如上圖，美國服務器 A 的 IP 地址和 法國服務器 B 的 IP 地址都是 192.168.1.101/24，從 IP 上看，好像是本身訪問本身，但實際上從美國的 192.168.1.101 訪問法國的 192.168.1.101。

    如何解決這個問題呢？既然局域網之間沒有商量好 IP 分配，各管各的，那到國際上，也就是中間的局域網裏面，就須要使用另外的地址，就像出國後，咱們要改用護照同樣。

    首先，目標服務器 B 在國際上要有一個國際的身份，咱們給它一個 190.168.56.2.在網關 B 上，咱們記下來，國際身份 192.168.56.2 對應國內身份 192.168.1.101.凡是要訪問 192.168.56.2 的，網關都要轉成 192.168.1.101。

    因而，源服務器 A 要訪問目標服務器 B，目標地址就變成國際 IP 地址 192.168.56.2。過程以下：

1）源服務器 A 發數據包到網關 A

1. 檢查服務器 B IP，不在同一網段
2. ARP 獲取網關 MAC 地址
3. 發送包

數據包的內容是這樣的：

• 源 MAC：服務器 A 的 MAC
• 目標 MAC：192.168.1.1 這個網口的 MAC
• 源 IP：192.168.1.101
• 目標 IP：192.168.56.2

    路由器 A 中 192.168.1.1 這個網口收到數據包後，檢查 MAC 地址一致，將包收進來。

    在路由器 A 中配置了規則：

想訪問 192.168.56.2/24，就從 192.168.56.1 網口發出去，發給 192.168.56.2，沒有下一跳。

    因爲路由器的右網口（192.168.56.1） IP 地址和目標 IP 地址在同一網段，所以沒有下一跳。

2）網關 A 到網關 B
當網絡包發送到中間的局域網時，服務器 A 也須要有個國際身份。所以，源 IP 地址 192.168.1.101 要改爲 192.168.56.1，因此數據包的內容是：

• 源 MAC：192.168.56.1 的 MAC
• 目標 MAC：192.168.56.2 的 MAC
• 源 IP：192.168.56.1
• 目標 IP：192.168.56.2

    包到達 192.168.56.2 這個網口後，發現 MAC 一致，就將包收進來。

    而路由器 B 是 NAT 網關，它上面配置了，國際身份 192.168.56.2 對應國內的 192.168.1.101，因而目標地址改成 192.168.1.101。

    一樣的，路由器 B 中配置了規則：

想訪問 192.168.1.101，就從 192.168.1.1 網口出去，沒有下一跳。

    因而，數據包就從 192.168.1.1 這個網口發給 192.168.1.101。

3）網關 B 到服務器 B
數據包從 192.168.1.1 網口發出後，一樣通過這些步驟：

1. 檢查服務器 B 的 IP，在同一網段
2. ARP 獲取服務器 B 的 MAC 地址
3. 發送包

這時的數據包就變成了：

• 源 MAC：192.168.1.1 的 MAC
• 目標 MAC：192.168.1.101 的 MAC
• 源 IP：192.168.56.1
• 目標 IP：192.168.1.101

    服務器收到包後，檢查 MAC 地址一致，就將數據包收進來。

    從服務器 B 接收的數據包能夠看出，源 IP 爲 服務器 A 的國際身份，於是發送返回包的時候，也發給這個國際身份，由路由器 A 作 NAT，轉換爲國內身份。

動態路由

動態路由算法

距離矢量路由算法

1）基本思路

基於Bellman-Ford 算法。每一個路由器都保存一個路由表，包含多行，每行對應網絡中的一個路由器，每一行包含兩部分信息，一個是要到目標路由器，從哪條線出去，另外一個是到目標路由器的距離

2）存在問題

a. 好消息傳得塊，壞消息傳的慢。

新加入的路由器可以很快的新路由器信息廣播出去。可是若是一個路由器掛了，掛的消息沒有廣播。每一個通過這個宕機節點的路由器，沒法得知該節點一宕機，而是試圖經過其餘的路徑訪問，直到試過了全部的路徑，才發現這個路由器已經宕機了。

示例：

b. 每次發送消息，要發送整個全局路由表

    上面的兩個問題，限制了距離矢量路由的網絡規模，僅適用於小型網絡（小於 15 跳）。

鏈路狀態路由算法

1）基本思路

基於Dijkstra 算法。當一個路由器加入網絡是，首先是發現鄰居，給鄰居說 hello，鄰居都回復。而後計算和鄰居的距離，發送一個 echo，要求立刻返回，除以 2 就是距離。接着將本身和鄰居之間的鏈路狀態包廣播出去，發送到整個網絡的每一個路由器。

    這種算法中，每一個路由器都能在本身本地構建一個完整的圖，而後針對這個圖使用 Dijkstra 算法，找到兩點之間的最短路徑。

    不像距離矢量路由協議那樣，更新時發送整個路由表。鏈路狀態路由協議只廣播更新的或改變的網絡拓撲，這使得更新信息更小，節省了寬帶和 CPU 利用率。並且一旦一個路由器掛了，它的鄰居都會廣播這個消息，可使得壞消息迅速收斂。

動態路由協議

基於鏈路狀態路由算法的 OSPF

OSPF（Open Shortest Path First, 開放式最短路徑優先）協議，普遍應用在數據中心的協議。因爲主要用在數據中心內部，用於路由決策，所以稱爲內部網關協議（Interior Gateway Protocol，簡稱 IGP）

    內部網關協議的重點就是找到最短路徑。當存在多個最短路徑時，能夠在這多個路徑中進行負載均衡，這經常被稱爲等價路由。

    等價路由不只能夠用來分攤流量，還能夠提升容錯率，當一條路徑不通時，還能夠經過另一條路到達目的地。

基於距離矢量路由算法的 BGP

針對網絡之間的路由協議，稱爲外網路由協議（Border Gateway Protocol，簡稱 BGP）

    每一個數據中心都有本身的路由配置。例如，哪些外部 IP 可讓內部知曉，哪些內部 IP 可讓外部知曉，哪些能夠經過，哪些不能經過。

    所以，在各個數據中心進行交互時，須要一種協議，經過這種協議，能夠知道相鄰數據中心的路由配置，從而找到數據中心之間最好的路由。

    BGP 協議就是這樣的協議。它不着眼於發現和計算路由，而在於控制路由的傳播和選擇最好的路由。

總結

• 數據包要離開本局域網，就要通過網關，網關就是路由器的一個網口；
• 路由器是一個三層設備，理由有如何尋找下一跳的規則；
• 通過路由器以後的 MAC 頭確定會變。若是 IP 不變，就是 轉發網關，不然就是 NAT網關；
• 路由分靜態路由和動態路由，動態路由能夠配置複雜的策略路由，控制轉發策略；
• 動態路由主流算法有兩種，距離矢量算法和鏈路狀態算法。基於兩種算法產生兩種協議，BGP 協議和 OSPF 協議。

參考：

1. 百度百科
2. 劉超-趣談網絡協議系列課；