【网络层】路由基础

文章目录

- 技术背景
- IP 路由工作原理
- IP路由表

技术背景

路由是能够让整个Internet持续运转的关键。回看之前的网络历史，最开始用一根网线将两台设备连接起来，面对面就能通信。到后面出现了交换机，能够让区域内的所有设备互相通信，形成局域网。现在若要想将这个局域网内的消息传送到另一个地方的局域网，这就需要路由器将不同网络连接起来，实现网络的数据转发。

这就好比你在一个大城市里，想要从你所在的大城市到另一个大城市，你可能会用到地图或者导航系统。这个导航系统会帮你找到一条从起点到终点的路线。在计算机网络中，路由也是类似的，它是一种机制，用于决定数据包从源头到目的地的最佳路径。

路由相关常用名词：

路由 routing	从源地址到目的地址，不同网络间的转发过程
路由表 routing table	路由信息的集合，这是路由的依据
路由器 router	具有路由功能的设备
默认网关 default gateway	通过是路由设备的接口IP地址

这里用生活场景来解释下这些名词在整个路由过程中起到的作用

假设在没有办法使用手机线上购票的情况下，你想要从上海到西藏，就需要去火车站买票。
<这就好比网络中两个不同的网络。网络中只要通过ip地址和掩码就能知道是不是在同一个网段里。上海和西藏在路由里就是源地址和目标地址，也就是表示这个数据包想要从源ip地址到达目标ip地址。而火车站就是路由器，火车站是具有买票的功能，路由器具有路由功能。>

这时要确定要去的火车站地址，是南站还是北站，然后过去，询问售票员是否有上海到西藏的票。
<火车站地址就像是网关 >

售票员就会在电脑上查询火车时刻表，这张时刻表上记录很多火车班次的信息。
< 时刻表在路由中就是路由表，时刻表信息都会时刻刷新，路由表也是一样的。路由就像是时刻表上每条火车班次的信息，一条路由中也是包含相关路由信息。>

售票员根据你提供的信息找到最优的火车班次，就可以出发。若没有，你就回。
< 在路由表上找到最优的路由，就能将数据传出去。若没有找到，数据就会丢弃 >

在这个过程中，如果想要去异地，就需要先找到网关，只有找到网关才能出去。这里找网关也就相当于找路由设备。最重要也是最麻烦的地方就在于，在路由表中如何选择最优的路由。也就是在火车时刻表中，有很多上海到西藏班次的列车，你是要选择哪个列车呢？

IP 路由工作原理

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如上拓扑图所示，三台路由器，每台路由器都维护对应的路由表。路由表中最重要的三个元素：目标网络Destination，下一条NextHop，出接口Interface。

主机地址为10.3.1.0 的设备想要访问到主机为10.4.1.0的设备就需要通过三个路由器进行指路。
当RA路由器收到 10.3.1.0设备的数据包，会先检查目的MAC地址是否与自己的硬件地址匹配。若匹配，会拿到ip 字段中的目标地址10.4.1.0，根据目标网络地址，在路由表查找路由。确实有条路由目的网络是10.4.1.0，吓一跳为10.1.2.2，出端口为E0。就会将数据包扔给该路由所指的出接口或下一跳。以此类推，到达最终的目标网络10.4.1.0

出接口指的是当前路由器的出口，拿上面的例子来类比的话，就是火车站的等车的进站口是A1还是A15。
下一跳指的是下一个设备的入口地址，同样用例子说明的话，就是你要去西藏，下一站是苏州D1口出。在路由和例子中不一样的点是在，生活中买完票之后可以凭票直接到达目的地，不需要中途再检票。而路由过程需要每一路由设备都需要检查路由表。

路由过程是双向的，也就是说10.3.1.0到10.4.1.0 路由是通的，相反10.4.1.0到10.3.1.0 路由也要是通的。这样整个网络通信路由过程才是正常的。

总结下路由的整个过程：
路由设备接收到数据包，检查二层目的MAC地址是否与自己硬件地址匹配。若不匹配就丢弃；若匹配，先通过二层帧CRC校验，确保数据没有在传输过程中出现异常。拆解二层数据拿到三层包头数据。根据三层的校验头来确认数据包的完整性，若正常则获取三层目的IP地址，查看IP地址是否为本机接口地址或者是广播地址之类的群发地址。若是则会进一步拆解包头获取数据，若不是就代表这个数据需要被转发，查找路由表，确认最优路线。处理三层报文中 TTL -1，计算校验和，为了给下个设备进行校验。 根据地址表确认下一个设备的MAC地址，重新封装二层包头并计算二层校验和，转发给下一个设备。

IP路由表

在整个路由的过程中，最重要的还是路由表。IP路由表：存放最优的路由信息/条目。 使用eNSP 路由器命令行输入 display ip routing-table 查看路由表信息
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这里面显示的每一条路由就类比于列车，而这些路由都会有相关的路由信息：

路由表字段	备注
Destination目标地址	用来标识存在的能够去往的目的地址或目的网络
Mask掩码	用来选择最佳路由的重要依据（最长匹配原则）
NextHop下一跳	指明该数据包所经过的下一个路由器的接口地址
Interface出接口	指明该数据包将从哪个接口转发
Protocol 协议	路由的来源
Preference优先级	用来比较不同协议学习去往相同地址不同路径的优先程度（越小越优先）
cost开销	用来比较相同协议学习去往相同地址不同路径的的代价（越小越优先）

上面用简单的例子介绍了Destination目标地址、NextHop下一跳、Interface出接口
在错综复杂的网络中，从源地址到目的地址的路径有很多，路由器需要进行路由选择，选出最优路径显示在路由表中。
就好比，在火车时刻表中有很多条上海到西藏的列车，你要选择哪一趟？你就会根据时间，价格，舒适度等因素进行购票。
路由设备也是一样，在众多的路由条目中根据 Protocol 协议、 Preference优先级、cost开销 选出最优路径显示在路由表中。

Protocol 协议 / Preference优先级
路由协议分为动态协议和静态协议
静态的配置简单，不占用资源；动态协议配置相对复杂，可以及时同步网络变化
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如上图所示，不同协议学习去往相同地址。这时路由设备比较的规则是协议本身的优先级（越小越优先）。不同协议之间优先级如下图：

路由协议/类型	Direct	OSPF	ISIS	StaticRIP	OSPF ASE	BGP
管理距离/优先级	0	10	15	60	100	150

对协议的理解可以是：在火车时刻表上有很多种类的交通工具，如动车、高铁、绿皮火车等

cost开销
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在路由选择的过程中，会出现相同的协议都去往相同的目标地址。这时候就要根据cost 开销来决定哪一条是最优路径。 如上图所示，下面路径开销小则优先选择为最优路径。

当然也会存在，对于一个路由来源，当到同一个目标网络存在多条相同度量值的路由时，路由器会将这些路由条目都加入路由表，数据包会在这几个链路（路径）进行负载分担。这种路由是等价路由（ECMP，Equal cost multi-Path）
（负载均衡的选择：逐包，逐流可以根据目标IP或源IP，目标MAC或源MAC选择。最终会经过“哈希”计算实现）

Mask掩码
最长掩码匹配原则：最终数据包实现最佳路由的算法
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例子：目的地址位10.1.2.1的数据报文，路由表条目中目的地址包含 0.0.0.0/0
、 10.0.0.0/8 、10.1.0.0/16
路由器的转发原则如下：将所有的路由条目进行与计算，得出最长的相同掩码来转发
目标地址10.1.2.1，路由器转发过程：
首先与计算目标地址得出:0001 0000.0000 0001.0000 0010.0000 0001