《趣谈网络协议》二三层网络——小记随笔

从物理层到MAC层：如何在宿舍里自己组网玩联机游戏？

第一层（物理层）

电脑连电脑

这种方式就是一根网线，有两个头。一头插在一台电脑的网卡上，另一头插在另一台电脑的网卡上。

但是在当时，普通的网线这样是通不了的，所以水晶头要做交叉线，用的就是所谓的 1－3、2－6 交叉接法。水晶头的第 1、2 和第 3、6 脚，它们分别起着收、发信号的作用。将一端的 1 号和 3 号线、2 号和 6 号线互换一下位置，就能够在物理层实现一端发送的信号，另一端能收到。

然而现在 os 已经能够自适应了，也就不需要再改线了。

当然电脑连电脑，除了网线要交叉，还需要配置这两台电脑的 IP 地址、子网掩码和默认网关。要想两台电脑能够通信，这三项必须配置成为一个网络，可以一个是 192.168.0.1/24，另一个是 192.168.0.2/24，否则是不通的。

两台电脑已经构成了一个最小的局域网，也即 LAN。

三台电脑相连

先别说交换机，当时交换机也贵。有一个叫做 Hub 的东西，也就是集线器。这种设备有多个口，可以将宿舍里的多台电脑连接起来。但是，和交换机不同，集线器没有大脑，它完全在物理层工作。它会将自己收到的每一个字节，都复制到其他端口上去。这是第一层物理层联通的方案。

第二层（数据链路层）

你可能已经发现问题了。Hub 采取的是广播的模式，如果每一台电脑发出的包，宿舍的每个电脑都能收到，那就麻烦了。这就需要解决几个问题：

  1. 这个包是发给谁的？谁应该接收？
  2. 大家都在发，会不会产生混乱？有没有谁先发、谁后发的规则？
  3. 如果发送的时候出现了错误，怎么办？

这几个问题，都是第二层，数据链路层，也即 MAC 层要解决的问题。MAC 的全称是 Medium Access Control，即媒体访问控制。

第二个问题解决方案

有很多算法可以解决这个问题

  • 方式一：分多个车道。每个车一个车道，你走你的，我走我的。这在计算机网络里叫作信道划分；
  • 方式二：今天单号出行，明天双号出行，轮着来。这在计算机网络里叫作轮流协议；
  • 方式三：不管三七二十一，有事儿先出门，发现特堵，就回去。错过高峰再出。我们叫作随机接入协议。著名的以太网，用的就是这个方式。

第一个问题解决方案

这里用到一个物理地址，叫作链路层地址。但是因为第二层主要解决媒体接入控制的问题，所以它常被称为MAC 地址。

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解决第一个问题就牵扯到第二层的网络包格式。对于以太网，第二层的最开始，就是目标的 MAC 地址和源的 MAC 地址。

有了这个目标 MAC 地址，数据包在链路上广播，MAC 的网卡才能发现，这个包是给它的。MAC 的网卡把包收进来，然后打开 IP 包，发现 IP 地址也是自己的，再打开 TCP 包，发现端口是自己，也就是 80，而 nginx 就是监听 80。

第三个问题解决方案

对于以太网，第二层的最后面是 CRC，也就是循环冗余检测。通过 XOR 异或的算法，来计算整个包是否在发送的过程中出现了错误，主要解决第三个问题。

ARP 协议

当源机器知道目标机器的时候，可以将目标地址放入包里面，如果不知道呢？一个广播的网络里面接入了 N 台机器，我怎么知道每个 MAC 地址是谁呢？这就是 ARP 协议，也就是已知 IP 地址，求 MAC 地址的协议。

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在一个局域网里面，当知道了 IP 地址，不知道 MAC 怎么办呢？靠“吼”（广播）

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广而告之，发送一个广播包，谁是这个 IP 谁来回答。具体询问和回答的报文就像下面这样：

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为了避免每次都用 ARP 请求，机器本地也会进行 ARP 缓存。当然机器会不断地上线下线，IP 也可能会变，所以 ARP 的 MAC 地址缓存过一段时间就会过期。

局域网

这种组网的方法，对一个宿舍来说没有问题，但是一旦机器数目增多，问题就出现了。因为 Hub 是广播的，不管某个接口是否需要，所有的 Bit 都会被发送出去，然后让主机来判断是不是需要。这种方式路上的车少就没问题，车一多，产生冲突的概率就提高了。而且把不需要的包转发过去，纯属浪费。看来 Hub 这种不管三七二十一都转发的设备是不行了，需要点儿智能的。因为每个口都只连接一台电脑，这台电脑又不怎么换 IP 和 MAC 地址，只要记住这台电脑的 MAC 地址，如果目标 MAC 地址不是这台电脑的，这个口就不用转发了。

谁能知道目标 MAC 地址是否就是连接某个口的电脑的 MAC 地址呢？这就需要一个能把 MAC 头拿下来，检查一下目标 MAC 地址，然后根据策略转发的设备，按第二节课中讲过的，这个设备显然是个二层设备，我们称为交换机。

交换机怎么知道每个口的电脑的 MAC 地址呢？这需要交换机会学习。一台 MAC1 电脑将一个包发送给另一台 MAC2 电脑，当这个包到达交换机的时候，一开始交换机也不知道 MAC2 的电脑在哪个口，所以没办法，它只能将包转发给除了来的那个口之外的其他所有的口。但是，这个时候，交换机会干一件非常聪明的事情，就是交换机会记住，MAC1 是来自一个明确的口。以后有包的目的地址是 MAC1 的，直接发送到这个口就可以了。

当交换机作为一个关卡一样，过了一段时间之后，就有了整个网络的一个结构了，这个时候，基本上不用广播了，全部可以准确转发。当然，每个机器的 IP 地址会变，所在的口也会变，因而交换机上的学习的结果，我们称为转发表，是有一个过期时间的。

交换机与VLAN：办公室太复杂，我要回学校

拓扑结构是怎么形成的？

首先，这个时候，一个交换机肯定不够用，需要多台交换机，交换机之间连接起来，就形成一个稍微复杂的拓扑结构。我们先来看两台交换机的情形。两台交换机连接着三个局域网，每个局域网上都有多台机器。

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ARP 是一定要广播的，二层交换机是没办法解决 ARP 广播问题的。但是数据包流转过程中可以逐步建立转发表，后续数据包转发时候可以根据转发表进行转发。

如何解决常见的环路问题？

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ARP 是一定要广播的，所以一旦出现环路，就会导致一直循环进行广播。

数据包在转发过程中，由于会不断循环，触达交换机的两端，所以转发表无法成功建立，且也会已知循环进行广播。

STP 协议中那些难以理解的概念

所以我们需要把物理有环的拓扑结果，通过算法实现成逻辑无环。这个算法就是 STP

在数据结构中，有一个方法叫做最小生成树。有环的我们常称为图。将图中的环破了，就生成了树。在计算机网络中，生成树的算法叫作 STP，全称 Spanning Tree Protocol。

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STP 协议比较复杂，一开始很难看懂。实际上这个算法就是认为指定好交换机的优先级、各个交换机之间的距离。根据优先级、距离形成一层层的从属结构，从而打破环路。

STP 名词

  • Root Bridge，也就是根交换机。这个比较容易理解，可以比喻为“掌门”交换机，是某棵树的老大，是掌门，最大的大哥。

  • Designated Bridges，有的翻译为指定交换机。这个比较难理解，可以想像成一个“小弟”，对于树来说，就是一棵树的树枝。所谓“指定”的意思是，我拜谁做大哥，其他交换机通过这个交换机到达根交换机，也就相当于拜他做了大哥。这里注意是树枝，不是叶子，因为叶子往往是主机。

  • Bridge Protocol Data Units （BPDU） ，网桥协议数据单元。可以比喻为“相互比较实力”的协议。行走江湖，比的就是武功，拼的就是实力。当两个交换机碰见的时候，也就是相连的时候，就需要互相比一比内力了。BPDU 只有掌门能发，已经隶属于某个掌门的交换机只能传达掌门的指示。

  • Bridge Protocol Data Units （BPDU） ，网桥协议数据单元。可以比喻为“相互比较实力”的协议。行走江湖，比的就是武功，拼的就是实力。当两个交换机碰见的时候，也就是相连的时候，就需要互相比一比内力了。BPDU 只有掌门能发，已经隶属于某个掌门的交换机只能传达掌门的指示。

  • Priority Vector，优先级向量。可以比喻为实力 （值越小越牛）。实力是啥？就是一组 ID 数目，[Root Bridge ID, Root Path Cost, Bridge ID, and Port ID]。为什么这样设计呢？这是因为要看怎么来比实力。先看 Root Bridge ID。拿出老大的 ID 看看，发现掌门一样，那就是师兄弟；再比 Root Path Cost，也即我距离我的老大的距离，也就是拿和掌门关系比，看同一个门派内谁和老大关系铁；最后比 Bridge ID，比我自己的 ID，拿自己的本事比。

STP 的工作过程是怎样的？

一开始，江湖纷争，异常混乱。大家都觉得自己是掌门，谁也不服谁。于是，所有的交换机都认为自己是掌门，每个网桥都被分配了一个 ID。这个 ID 里有管理员分配的优先级，当然网络管理员知道哪些交换机贵，哪些交换机好，就会给它们分配高的优先级。这种交换机生下来武功就很高，起步就是乔峰。

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既然都是掌门，互相都连着网线，就互相发送 BPDU 来比功夫呗。这一比就发现，有人是岳不群，有人是封不平，赢的接着当掌门，输的就只好做小弟了。当掌门的还会继续发 BPDU，而输的人就没有机会了。它们只有在收到掌门发的 BPDU 的时候，转发一下，表示服从命令。

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数字表示优先级。就像这个图，5 和 6 碰见了，6 的优先级低，所以乖乖做小弟。于是一个小门派形成，5 是掌门，6 是小弟。其他诸如 1-7、2-8、3-4 这样的小门派，也诞生了。于是江湖出现了很多小的门派，小的门派，接着合并。

合并的过程会出现以下四种情形，我分别来介绍。

情形一：掌门遇到掌门

当 5 碰到了 1，掌门碰见掌门，1 觉得自己是掌门，5 也刚刚跟别人 PK 完成为掌门。这俩掌门比较功夫，最终 1 胜出。于是输掉的掌门 5 就会率领所有的小弟归顺。结果就是 1 成为大掌门。

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情形二：同门相遇

同门相遇可以是掌门与自己的小弟相遇，这说明存在“环”了。这个小弟已经通过其他门路拜在你门下，结果你还不认识，就 PK 了一把。结果掌门发现这个小弟功夫不错，不应该级别这么低，就把它招到门下亲自带，那这个小弟就相当于升职了。

我们再来看，假如 1 和 6 相遇。6 原来就拜在 1 的门下，只不过 6 的上司是 5，5 的上司是 1。1 发现，6 距离我才只有 2，比从 5 这里过来的 5（=4+1）近多了，那 6 就直接汇报给我吧。于是，5 和 6 分别汇报给 1。

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同门相遇还可以是小弟相遇。这个时候就要比较谁和掌门的关系近，当然近的当大哥。刚才 5 和 6 同时汇报给 1 了，后来 5 和 6 在比较功夫的时候发现，5 你直接汇报给 1 距离是 4，如果 5 汇报给 6 再汇报给 1，距离只有 2+1=3，所以 5 干脆拜 6 为上司。

情形三：掌门与其他帮派小弟相遇

小弟拿本帮掌门和这个掌门比较，赢了，这个掌门拜入门来。输了，会拜入新掌门，并且逐渐拉拢和自己连接的兄弟，一起弃暗投明。

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例如，2 和 7 相遇，虽然 7 是小弟，2 是掌门。就个人武功而言，2 比 7 强，但是 7 的掌门是 1，比 2 牛，所以没办法，2 要拜入 7 的门派，并且连同自己的小弟都一起拜入。

情形四：不同门小弟相遇

各自拿掌门比较，输了的拜入赢的门派，并且逐渐将与自己连接的兄弟弃暗投明。

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最终，生成一棵树，武林一统，天下太平。但是天下大势，分久必合，合久必分，天下统一久了，也会有相应的问题。

STP 的劣势在于，当拓扑发生变化，新的配置消息要经过一定的时延才能传播到整个网络。由于整个交换网络只有一棵生成树，在网络规模比较大的时候会导致较长的收敛时间，拓扑改变的影响面也较大，当链路被阻塞后将不承载任何流量，造成了极大带宽浪费。

如何解决广播问题和安全问题？

毕竟机器多了，交换机也多了，就算交换机比 Hub 智能一些，但是还是难免有广播的问题，一大波机器，相关的部门、不相关的部门，广播一大堆，性能就下来了。

你们公司有不同的部门，有的部门需要保密的，比如人事部门，肯定要讨论升职加薪的事儿。由于在同一个广播域里面，很多包都会在一个局域网里面飘啊飘，碰到了一个会抓包的程序员，就能抓到这些包，如果没有加密，就能看到这些敏感信息了。还是上面的例子，50 个人在一个会议室里面七嘴八舌地讨论，其中有两个 HR，那他们讨论的问题，肯定被其他人偷偷听走了。

物理隔离

每个部门设一个单独的会议室，对应到网络方面，就是每个部门有单独的交换机，配置单独的子网，这样部门之间的沟通就需要路由器了。路由器咱们还没讲到，以后再说。这样的问题在于，有的部门人多，有的部门人少。人少的部门慢慢人会变多，人多的部门也可能人越变越少。如果每个部门有单独的交换机，口多了浪费，少了又不够用。

虚拟隔离

另外一种方式是虚拟隔离，就是用我们常说的 VLAN，或者叫虚拟局域网。

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我们只需要在原来的二层的头上加一个 TAG，里面有一个 VLAN ID，一共 12 位。如果我们买的交换机是支持 VLAN 的，当这个交换机把二层的头取下来的时候，就能够识别这个 VLAN ID。这样只有相同 VLAN 的包，才会互相转发，不同 VLAN 的包，是看不到的。这样广播问题和安全问题就都能够解决了。

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我们可以设置交换机每个口所属的 VLAN。如果某个口坐的是程序员，他们属于 VLAN 10；如果某个口坐的是人事，他们属于 VLAN 20；如果某个口坐的是财务，他们属于 VLAN 30。这样，财务发的包，交换机只会转发到 VLAN 30 的口上。程序员啊，你就监听 VLAN 10 吧，里面除了代码，啥都没有。

而且对于交换机来讲，每个 VLAN 的口都是可以重新设置的。一个财务走了，把他所在座位的口从 VLAN 30 移除掉，来了一个程序员，坐在财务的位置上，就把这个口设置为 VLAN 10，十分灵活。

有人会问交换机之间怎么连接呢？将两个交换机连接起来的口应该设置成什么 VLAN 呢？对于支持 VLAN 的交换机，有一种口叫作 Trunk 口。它可以转发属于任何 VLAN 的口。交换机之间可以通过这种口相互连接。

好了，解决这么多交换机连接在一起的问题，办公室的问题似乎搞定了。然而这只是一般复杂的场景，因为你能接触到的网络，到目前为止，不管是你的台式机，还是笔记本所连接的网络，对于带宽、高可用等都要求不高。就算出了问题，一会儿上不了网，也不会有什么大事。

数据中心采用的方案更加复杂，但是带来更高的可用性

ICMP与ping：投石问路的侦察兵

ICMP 协议的格式

ping 是基于 ICMP 协议工作的。ICMP 全称 Internet Control Message Protocol，就是互联网控制报文协议。

网络包在异常复杂的网络环境中传输时，常常会遇到各种各样的问题。当遇到问题的时候，总不能“死个不明不白”，要传出消息来，报告情况，这样才可以调整传输策略。

ICMP 报文是封装在 IP 包里面的。因为传输指令的时候，肯定需要源地址和目标地址。它本身非常简单。因为作为侦查兵，要轻装上阵，不能携带大量的包袱。

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ICMP 报文有很多的类型，不同的类型有不同的代码。最常用的类型是主动请求为 8，主动请求的应答为 0。

查询报文类型

我们经常在电视剧里听到这样的话：主帅说，来人哪！前方战事如何，快去派人打探，一有情况，立即通报！这种是主帅发起的，主动查看敌情，对应 ICMP 的查询报文类型。例如，常用的 ping 就是查询报文，是一种主动请求，并且获得主动应答的 ICMP 协议。所以，ping 发的包也是符合 ICMP 协议格式的，只不过它在后面增加了自己的格式。

对 ping 的主动请求，进行网络抓包，称为 ICMP ECHO REQUEST。同理主动请求的回复，称为ICMP ECHO REPLY。比起原生的 ICMP，这里面多了两个字段，一个是标识符。这个很好理解，你派出去两队侦查兵，一队是侦查战况的，一队是去查找水源的，要有个标识才能区分。另一个是序号，你派出去的侦查兵，都要编个号。如果派出去 10 个，回来 10 个，就说明前方战况不错；如果派出去 10 个，回来 2 个，说明情况可能不妙。

在选项数据中，ping 还会存放发送请求的时间值，来计算往返时间，说明路程的长短。

差错报文类型

当然也有另外一种方式，就是差错报文。主帅骑马走着走着，突然来了一匹快马，上面的小兵气喘吁吁的：报告主公，不好啦！张将军遭遇埋伏，全军覆没啦！这种是异常情况发起的，来报告发生了不好的事情，对应 ICMP 的差错报文类型。

我举几个 ICMP 差错报文的例子：终点不可达为 3，源抑制为 4，超时为 11，重定向为 5。

终点不可达

第一种是终点不可达。小兵：报告主公，您让把粮草送到张将军那里，结果没有送到。

如果你是主公，你肯定会问，为啥送不到？具体的原因在代码中表示就是，网络不可达代码为 0，主机不可达代码为 1，协议不可达代码为 2，端口不可达代码为 3，需要进行分片但设置了不分片位代码为 4。

  • 网络不可达：主公，找不到地方呀？
  • 主机不可达：主公，找到地方没这个人呀？
  • 协议不可达：主公，找到地方，找到人，口号没对上，人家天王盖地虎，我说 12345！
  • 端口不可达：主公，找到地方，找到人，对了口号，事儿没对上，我去送粮草，人家说他们在等救兵。
  • 需要进行分片但设置了不分片位：主公，走到一半，山路狭窄，想换小车，但是您的将令，严禁换小车，就没办法送到了。

源站抑制

第二种是源站抑制，也就是让源站放慢发送速度。小兵：报告主公，您粮草送的太多了吃不完。

时间超时

超过网络包的生存时间还是没到。小兵：报告主公，送粮草的人，自己把粮草吃完了，还没找到地方，已经饿死啦。

路由重定向

也就是让下次发给另一个路由器。小兵：报告主公，上次送粮草的人本来只要走一站地铁，非得从五环绕，下次别这样了啊。

差错报文的结构相对复杂一些。除了前面还是 IP，ICMP 的前 8 字节不变，后面则跟上出错的那个 IP 包的 IP 头和 IP 正文的前 8 个字节。

ping：查询报文类型的使用

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ping 命令执行的时候，源主机首先会构建一个 ICMP 请求数据包，ICMP 数据包内包含多个字段。最重要的是两个，第一个是类型字段，对于请求数据包而言该字段为 8；另外一个是顺序号，主要用于区分连续 ping 的时候发出的多个数据包。每发出一个请求数据包，顺序号会自动加 1。为了能够计算往返时间 RTT，它会在报文的数据部分插入发送时间。

经过 IP 层、MAC 层，主机 B 收到这个数据帧后，主机 B 会构建一个 ICMP 应答包，应答数据包的类型字段为 0，顺序号为接收到的请求数据包中的顺序号，然后再发送出去给主机 A。

在规定的时候间内，源主机如果没有接到 ICMP 的应答包，则说明目标主机不可达；如果接收到了 ICMP 应答包，则说明目标主机可达。此时，源主机会检查，用当前时刻减去该数据包最初从源主机上发出的时刻，就是 ICMP 数据包的时间延迟。

如果在自己的可控范围之内，当遇到网络不通的问题的时候，除了直接 ping 目标的 IP 地址之外，还应该有一个清晰的网络拓扑图。并且从理论上来讲，应该要清楚地知道一个网络包从源地址到目标地址都需要经过哪些设备，然后逐个 ping 中间的这些设备或者机器。如果可能的话，在这些关键点，通过 tcpdump -i eth0 icmp，查看包有没有到达某个点，回复的包到达了哪个点，可以更加容易推断出错的位置。

经常会遇到一个问题，如果不在我们的控制范围内，很多中间设备都是禁止 ping 的，但是 ping 不通不代表网络不通。这个时候就要使用 telnet，通过其他协议来测试网络是否通，这个就不在本篇的讲述范围了。

说了这么多，你应该可以看出 ping 这个程序是使用了 ICMP 里面的 ECHO REQUEST 和 ECHO REPLY 类型的。

Traceroute：差错报文类型的使用

那其他的类型呢？是不是只有真正遇到错误的时候，才能收到呢？那也不是，有一个程序 Traceroute，是个“大骗子”。它会使用 ICMP 的规则，故意制造一些能够产生错误的场景。

所以，Traceroute 的第一个作用就是故意设置特殊的 TTL，来追踪去往目的地时沿途经过的路由器。Traceroute 的参数指向某个目的 IP 地址，它会发送一个 UDP 的数据包。将 TTL 设置成 1，也就是说一旦遇到一个路由器或者一个关卡，就表示它“牺牲”了。

如果中间的路由器不止一个，当然碰到第一个就“牺牲”。于是，返回一个 ICMP 包，也就是网络差错包，类型是时间超时。那大军前行就带一顿饭，试一试走多远会被饿死，然后找个哨探回来报告，那我就知道大军只带一顿饭能走多远了。

接下来，将 TTL 设置为 2。第一关过了，第二关就“牺牲”了，那我就知道第二关有多远。如此反复，直到到达目的主机。这样，Traceroute 就拿到了所有的路由器 IP。当然，有的路由器压根不会回这个 ICMP。这也是 Traceroute 一个公网的地址，看不到中间路由的原因。

怎么知道 UDP 有没有到达目的主机呢？Traceroute 程序会发送一份 UDP 数据报给目的主机，但它会选择一个不可能的值作为 UDP 端口号（大于 30000）。当该数据报到达时，将使目的主机的 UDP 模块产生一份“端口不可达”错误 ICMP 报文。如果数据报没有到达，则可能是超时。

Traceroute 还有一个作用是故意设置不分片，从而确定路径的 MTU。要做的工作首先是发送分组，并设置“不分片”标志。发送的第一个分组的长度正好与出口 MTU 相等。如果中间遇到窄的关口会被卡住，会发送 ICMP 网络差错包，类型为“需要进行分片但设置了不分片位”。其实，这是人家故意的好吧，每次收到 ICMP“不能分片”差错时就减小分组的长度，直到到达目标主机。

世界这么大，我想出网关：欧洲十国游与玄奘西行

你了解 MAC 头和 IP 头的细节吗？

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在 MAC 头里面，先是目标 MAC 地址，然后是源 MAC 地址，然后有一个协议类型，用来说明里面是 IP 协议。

IP 头里面的版本号，目前主流的还是 IPv4，服务类型 TOS 在第三节讲 ip addr 命令的时候讲过，TTL 在第 7 节讲 ICMP 协议的时候讲过。另外，还有 8 位标识协议。这里到了下一层的协议，也就是，是 TCP 还是 UDP。最重要的就是源 IP 和目标 IP。先是源 IP 地址，然后是目标 IP 地址。

如果是同一个网段，例如，你访问你旁边的兄弟的电脑，那就没网关什么事情，直接将源地址和目标地址放入 IP 头中，然后通过 ARP 获得 MAC 地址，将源 MAC 和目的 MAC 放入 MAC 头中，发出去就可以了。

网关往往是一个路由器，是一个三层转发的设备。很多情况下，人们把网关就叫做路由器。其实不完全准确，而另一种比喻更加恰当：路由器是一台设备，它有五个网口或者网卡，相当于有五只手，分别连着五个局域网。每只手的 IP 地址都和局域网的 IP 地址相同的网段，每只手都是它握住的那个局域网的网关。

任何一个想发往其他局域网的包，都会到达其中一只手，被拿进来，拿下 MAC 头和 IP 头，看看，根据自己的路由算法，选择另一只手，加上 IP 头和 MAC 头，然后扔出去。

静态路由是什么？

静态路由，其实就是在路由器上，配置一条一条规则。这些规则包括：想访问 BBS 站（它肯定有个网段），从 2 号口出去，下一跳是 IP2；想访问教学视频站（它也有个自己的网段），从 3 号口出去，下一跳是 IP3，然后保存在路由器里。每当要选择从哪只手抛出去的时候，就一条一条的匹配规则，找到符合的规则，就按规则中设置的那样，从某个口抛出去，找下一跳 IPX。

IP 头和 MAC 头哪些变、哪些不变？

MAC 地址是一个局域网内才有效的地址。因而，MAC 地址只要过网关，就必定会改变，因为已经换了局域网。两者主要的区别在于 IP 地址是否改变。不改变 IP 地址的网关，我们称为转发网关；改变 IP 地址的网关，我们称为 NAT 网关。

NAT 网关一般有源 ip 映射、目标 ip 映射、DNAT 端口映射 三种方式，所以其实 NAT 网关其实是需要传输层信息才能实现的。

“欧洲十国游”型

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服务器 A 要访问服务器 B。

首先，服务器 A 会思考，192.168.4.101 和我不是一个网段的，因而需要先发给网关。那网关是谁呢？已经静态配置好了，网关是 192.168.1.1。网关的 MAC 地址是多少呢？发送 ARP 获取网关的 MAC 地址，然后发送包。包的内容是这样的：

  • 源 MAC：服务器 A 的 MAC
  • 目标 MAC：192.168.1.1 这个网口的 MAC
  • 源 IP：192.168.1.101
  • 目标 IP：192.168.4.101

包到达 192.168.1.1 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。

在路由器 A 中配置了静态路由之后，要想访问 192.168.4.0/24，要从 192.168.56.1 这个口出去，下一跳为 192.168.56.2。
于是，路由器 A 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.56.1 这个口发出去，发给 192.168.56.2，那 192.168.56.2 的 MAC 地址是多少呢？路由器 A 发送 ARP 获取 192.168.56.2 的 MAC 地址，然后发送包。包的内容是这样的：

  • 源 MAC：192.168.56.1 的 MAC 地址
  • 目标 MAC：192.168.56.2 的 MAC 地址
  • 源 IP：192.168.1.101
  • 目标 IP：192.168.4.101

包到达 192.168.56.2 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。
在路由器 B 中配置了静态路由，要想访问 192.168.4.0/24，要从 192.168.4.1 这个口出去，没有下一跳了。因为我右手这个网卡，就是这个网段的，我是最后一跳了。
于是，路由器 B 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.4.1 这个口发出去，发给 192.168.4.101。那 192.168.4.101 的 MAC 地址是多少呢？路由器 B 发送 ARP 获取 192.168.4.101 的 MAC 地址，然后发送包。包的内容是这样的：

  • 源 MAC：192.168.4.1 的 MAC 地址
  • 目标 MAC：192.168.4.101 的 MAC 地址
  • 源 IP：192.168.1.101
  • 目标 IP：192.168.4.101

包到达服务器 B，MAC 地址匹配，将包收进来。

通过这个过程可以看出，每到一个新的局域网，MAC 都是要变的，但是 IP 地址都不变。在 IP 头里面，不会保存任何网关的 IP 地址。所谓的下一跳是，某个 IP 要将这个 IP 地址转换为 MAC 放入 MAC 头。

之所以将这种模式比喻称为欧洲十国游，是因为在整个过程中，IP 头里面的地址都是不变的。IP 地址在三个局域网都可见，在三个局域网之间的网段都不会冲突。在三个网段之间传输包，IP 头不改变。这就像在欧洲各国之间旅游，一个签证就能搞定。

“玄奘西行”型

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局域网之间没有商量过，各定各的网段，因而 IP 段冲突了。最左面大唐的地址是 192.168.1.101，最右面印度的地址也是 192.168.1.101，如果单从 IP 地址上看，简直是自己访问自己，其实是大唐的 192.168.1.101 要访问印度的 192.168.1.101。

怎么解决这个问题呢？既然局域网之间没有商量过，你们各管各的，那到国际上，也即中间的局域网里面，就需要使用另外的地址。就像出国，不能用咱们自己的身份证，而要改用护照一样，玄奘西游也要拿着专门取经的通关文牒，而不能用自己国家的身份证。

首先，目标服务器 B 在国际上要有一个国际的身份，我们给它一个 192.168.56.2。在网关 B 上，我们记下来，国际身份 192.168.56.2 对应国内身份 192.168.1.101。凡是要访问 192.168.56.2，都转成 192.168.1.101。（这里可以理解是目标 IP 映射，可以理解给虚拟机绑定公网 IP）

于是，源服务器 A 要访问目标服务器 B，要指定的目标地址为 192.168.56.2。这是它的国际身份。服务器 A 想，192.168.56.2 和我不是一个网段的，因而需要发给网关，网关是谁？已经静态配置好了，网关是 192.168.1.1，网关的 MAC 地址是多少？发送 ARP 获取网关的 MAC 地址，然后发送包。包的内容是这样的：

  • 源 MAC：服务器 A 的 MAC
  • 目标 MAC：192.168.1.1 这个网口的 MAC
  • 源 IP：192.168.1.101
  • 目标 IP：192.168.56.2

包到达 192.168.1.1 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。在路由器 A 中配置了静态路由：要想访问 192.168.56.2/24，要从 192.168.56.1 这个口出去，没有下一跳了，因为我右手这个网卡，就是这个网段的，我是最后一跳了。

于是，路由器 A 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.56.1 这个口发出去，发给 192.168.56.2。那 192.168.56.2 的 MAC 地址是多少呢？路由器 A 发送 ARP 获取 192.168.56.2 的 MAC 地址。

当网络包发送到中间的局域网的时候，服务器 A 也需要有个国际身份，因而在国际上，源 IP 地址也不能用 192.168.1.101，需要改成 192.168.56.1。（先理解成源 IP 绑定 公网 IP 的方式，如果使用 DNAT，需要解析端口），发送包的内容是这样的：

  • 源 MAC：192.168.56.1 的 MAC 地址
  • 目标 MAC：192.168.56.2 的 MAC 地址
  • 源 IP：192.168.56.1
  • 目标 IP：192.168.56.2

包到达 192.168.56.2 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。路由器 B 是一个 NAT 网关，它上面配置了，要访问国际身份 192.168.56.2 对应国内身份 192.168.1.101，于是改为访问 192.168.1.101。
在路由器 B 中配置了静态路由：要想访问 192.168.1.0/24，要从 192.168.1.1 这个口出去，没有下一跳了，因为我右手这个网卡，就是这个网段的，我是最后一跳了。

于是，路由器 B 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.1.1 这个口发出去，发给 192.168.1.101。那 192.168.1.101 的 MAC 地址是多少呢？路由器 B 发送 ARP 获取 192.168.1.101 的 MAC 地址，然后发送包。内容是这样的：

  • 源 MAC：192.168.1.1 的 MAC 地址
  • 目标 MAC：192.168.1.101 的 MAC 地址
  • 源 IP：192.168.56.1
  • 目标 IP：192.168.1.101

包到达服务器 B，MAC 地址匹配，将包收进来。

从服务器 B 接收的包可以看出，源 IP 为服务器 A 的国际身份，因而发送返回包的时候，也发给这个国际身份，由路由器 A 做 NAT，转换为国内身份。

从这个过程可以看出，IP 地址也会变。这个过程用英文说就是 Network Address Translation，简称 NAT。

路由协议：西出网关无故人，敢问路在何方

如何配置路由？

通过上一节的内容，你应该已经知道，路由器就是一台网络设备，它有多张网卡。当一个入口的网络包送到路由器时，它会根据一个本地的转发信息库，来决定如何正确地转发流量。这个转发信息库通常被称为路由表。

一张路由表中会有多条路由规则。每一条规则至少包含这三项信息。

  • 目的网络：这个包想去哪儿？
  • 出口设备：将包从哪个口扔出去？
  • 下一跳网关：下一个路由器的地址。

通过 route 命令和 ip route 命令都可以进行查询或者配置。

例如，我们设置 ip route add 10.176.48.0/20 via 10.173.32.1 dev eth0，就说明要去 10.176.48.0/20 这个目标网络，要从 eth0 端口出去，经过 10.173.32.1。

上一节的例子中，网关上的路由策略就是按照这三项配置信息进行配置的。这种配置方式的一个核心思想是：根据目的 IP 地址来配置路由。

如何配置策略路由？

当然，在真实的复杂的网络环境中，除了可以根据目的 ip 地址配置路由外，还可以根据多个参数来配置路由，这就称为策略路由。

可以配置多个路由表，可以根据源 IP 地址、入口设备、TOS 等选择路由表，然后在路由表中查找路由。这样可以使得来自不同来源的包走不同的路由。

ip rule add from 192.168.1.0/24 table 10 
ip rule add from 192.168.2.0/24 table 20

表示从 192.168.1.10/24 这个网段来的，使用 table 10 中的路由表，而从 192.168.2.0/24 网段来的，使用 table20 的路由表。

在一条路由规则中，也可以走多条路径。例如，在下面的路由规则中：

ip route add default scope global nexthop via 100.100.100.1 weight 1 nexthop via 200.200.200.1 weight 2

下一跳有两个地方，分别是 100.100.100.1 和 200.200.200.1，权重分别为 1 比 2。

使用场景

在什么情况下会用到如此复杂的配置呢？我来举一个现实中的例子。我是房东，家里从运营商那儿拉了两根网线。这两根网线分别属于两个运行商。一个带宽大一些，一个带宽小一些。这个时候，我就不能买普通的家用路由器了，得买个高级点的，可以接两个外网的。家里的网络呢，就是普通的家用网段 192.168.1.x/24。家里有两个租户，分别把线连到路由器上。IP 地址为 192.168.1.101/24 和 192.168.1.102/24，网关都是 192.168.1.1/24，网关在路由器上。

就像上一节说的一样，家里的网段是私有网段，出去的包需要 NAT 成公网的 IP 地址，因而路由器是一个 NAT 路由器。两个运营商都要为这个网关配置一个公网的 IP 地址。如果你去查看你们家路由器里的网段，基本就是我图中画的样子。

img

运行商里面也有一个 IP 地址，在运营商网络里面的网关。不同的运营商方法不一样，有的是 /32 的，也即一个一对一连接。
例如，运营商 1 给路由器分配的地址是 183.134.189.34/32，而运营商网络里面的网关是 183.134.188.1/32。有的是 /30 的，也就是分了一个特别小的网段。运营商 2 给路由器分配的地址是 60.190.27.190/30，运营商网络里面的网关是 60.190.27.189/30。

根据这个网络拓扑图，可以将路由配置成这样：

$ ip route list table main 
60.190.27.189/30 dev eth3  proto kernel  scope link  src 60.190.27.190
183.134.188.1 dev eth2  proto kernel  scope link  src 183.134.189.34
192.168.1.0/24 dev eth1  proto kernel  scope link  src 192.168.1.1
127.0.0.0/8 dev lo  scope link
default via 183.134.188.1 dev eth2
  • 如果去运营商二，就走 eth3；
  • 如果去运营商一呢，就走 eth2；
  • 如果访问内网，就走 eth1；
  • 如果所有的规则都匹配不上，默认走运营商一，也即走快的网络。

但是问题来了，租户 A 不想多付钱，他说我就上上网页，从不看电影，凭什么收我同样贵的网费啊？没关系，咱有技术可以解决。下面我添加一个 Table，名字叫 chao。

# echo 200 chao >> /etc/iproute2/rt_tables

添加一条规则：

# ip rule add from 192.168.1.101 table chao
# ip rule ls
0:  from all lookup local 
32765:  from 10.0.0.10 lookup chao
32766:  from all lookup main 
32767:  from all lookup default

设定规则为：从 192.168.1.101 来的包都查看个 chao 这个新的路由表。在 chao 路由表中添加规则：

# ip route add default via 60.190.27.189 dev eth3 table chao
# ip route flush cache

默认的路由走慢的，谁让你不付钱。

上面说的都是静态的路由，一般来说网络环境简单的时候，在自己的可控范围之内，自己捣鼓还是可以的。但是有时候网络环境复杂并且多变，如果总是用静态路由，一旦网络结构发生变化，让网络管理员手工修改路由太复杂了，因而需要动态路由算法。

动态路由算法

无论是一个国家内部，还是国家之间，我们都可以将复杂的路径，抽象为一种叫作图的数据结构。至于唐僧西行取经，肯定想走的路越少越好，道路越短越好，因而这就转化成为如何在途中找到最短路径的问题。

距离矢量路由算法

第一大类的算法称为距离矢量路由（distance vector routing）。它是基于 Bellman-Ford 算法的。

这种算法的基本思路是，每个路由器都保存一个路由表，包含多行，每行对应网络中的一个路由器，每一行包含两部分信息，一个是要到目标路由器，从那条线出去，另一个是到目标路由器的距离。

由此可以看出，每个路由器都是知道全局信息的。那这个信息如何更新呢？每个路由器都知道自己和邻居之间的距离，每过几秒，每个路由器都将自己所知的到达所有的路由器的距离告知邻居，每个路由器也能从邻居那里得到相似的信息。

每个路由器根据新收集的信息，计算和其他路由器的距离，比如自己的一个邻居距离目标路由器的距离是 M，而自己距离邻居是 x，则自己距离目标路由器是 x+M。

这个算法比较简单，但是还是有问题。

第一个问题就是好消息传得快，坏消息传得慢。 如果有个路由器加入了这个网络，它的邻居就能很快发现它，然后将消息广播出去。要不了多久，整个网络就都知道了。但是一旦一个路由器挂了，挂的消息是没有广播的。当每个路由器发现原来的道路到不了这个路由器的时候，感觉不到它已经挂了，而是试图通过其他的路径访问，直到试过了所有的路径，才发现这个路由器是真的挂了。

img

数越来越大，直到超过一个阈值，我们才能判定 A 真的挂了。

这种算法的第二个问题是，每次发送的时候，要发送整个全局路由表。网络大了，谁也受不了，所以最早的路由协议 RIP 就是这个算法。它适用于小型网络（小于 15 跳）。当网络规模都小的时候，没有问题。现在一个数据中心内部路由器数目就很多，因而不适用了。

链路状态路由算法

第二大类算法是链路状态路由（link state routing），基于 Dijkstra 算法。

这种算法的基本思路是：当一个路由器启动的时候，首先是发现邻居，向邻居 say hello，邻居都回复。然后计算和邻居的距离，发送一个 echo，要求马上返回，除以二就是距离。然后将自己和邻居之间的链路状态包广播出去，发送到整个网络的每个路由器。这样每个路由器都能够收到它和邻居之间的关系的信息。因而，每个路由器都能在自己本地构建一个完整的图，然后针对这个图使用 Dijkstra 算法，找到两点之间的最短路径。

不像距离距离矢量路由协议那样，更新时发送整个路由表。链路状态路由协议只广播更新的或改变的网络拓扑，这使得更新信息更小，节省了带宽和 CPU 利用率。而且一旦一个路由器挂了，它的邻居都会广播这个消息，可以使得坏消息迅速收敛。

动态路由协议

基于链路状态路由算法的 OSPF

OSPF（Open Shortest Path First，开放式最短路径优先）就是这样一个基于链路状态路由协议，广泛应用在数据中心中的协议。由于主要用在数据中心内部，用于路由决策，因而称为内部网关协议（Interior Gateway Protocol，简称 IGP）。

内部网关协议的重点就是找到最短的路径。在一个组织内部，路径最短往往最优。当然有时候 OSPF 可以发现多个最短的路径，可以在这多个路径中进行负载均衡，这常常被称为等价路由。

img

这一点非常重要。有了等价路由，到一个地方去可以有相同的两个路线，可以分摊流量，还可以当一条路不通的时候，走另外一条路。这个在后面我们讲数据中心的网络的时候，一般应用的接入层会有负载均衡 LVS。它可以和 OSPF 一起，实现高吞吐量的接入层设计。

有了内网的路由协议，在一个国家内，唐僧可以想怎么走怎么走了，两条路选一条也行。

基于距离矢量路由算法的 BGP

但是外网的路由协议，也即国家之间的，又有所不同。我们称为外网路由协议（Border Gateway Protocol，简称 BGP）。

在网络世界，这一个个数据中心成为自治系统 AS（Autonomous System）。自治系统分几种类型。

  • Stub AS：对外只有一个连接。这类 AS 不会传输其他 AS 的包。例如，个人或者小公司的网络。
  • Multihomed AS：可能有多个连接连到其他的 AS，但是大多拒绝帮其他的 AS 传输包。例如一些大公司的网络。
  • Transit AS：有多个连接连到其他的 AS，并且可以帮助其他的 AS 传输包。例如主干网。

每个自治系统都有边界路由器，通过它和外面的世界建立联系。

img

BGP 又分为两类，eBGP 和 iBGP。自治系统间，边界路由器之间使用 eBGP 广播路由。内部网络也需要访问其他的自治系统。边界路由器如何将 BGP 学习到的路由导入到内部网络呢？就是通过运行 iBGP，使得内部的路由器能够找到到达外网目的地的最好的边界路由器。

BGP 协议使用的算法是路径矢量路由协议（path-vector protocol）。它是距离矢量路由协议的升级版。

前面说了距离矢量路由协议的缺点。其中一个是收敛慢。在 BGP 里面，除了下一跳 hop 之外，还包括了自治系统 AS 的路径，从而可以避免坏消息传得慢的问题，也即上面所描述的，B 知道 C 原来能够到达 A，是因为通过自己，一旦自己都到达不了 A 了，就不用假设 C 还能到达 A 了。

另外，在路径中将一个自治系统看成一个整体，不区分自治系统内部的路由器，这样自治系统的数目是非常有限的。就像大家都能记住出去玩，从中国出发先到韩国然后到日本，只要不计算细到具体哪一站，就算是发送全局信息，也是没有问题的。

posted @ 2024-04-05 09:29  Blue Mountain  阅读(133)  评论(0)    收藏  举报