摘要：動(dòng)態(tài)路由協(xié)議基于鏈路狀態(tài)路由算法的開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議，廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心的協(xié)議。基于距離矢量路由算法的針對(duì)網(wǎng)絡(luò)之間的路由協(xié)議，稱為外網(wǎng)路由協(xié)議，簡(jiǎn)稱每個(gè)數(shù)據(jù)中心都有自己的路由配置。

????前面例子中，我們都是在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)折騰。今天就讓我們擴(kuò)大范圍，在多個(gè)局域網(wǎng)甚至到廣闊的互聯(lián)網(wǎng)世界中遨游，看看這中間會(huì)發(fā)生什么。

????這個(gè)過(guò)程中，跨網(wǎng)關(guān)訪問(wèn)是我們要了解的第一個(gè)內(nèi)容。

????當(dāng)我們要了解跨網(wǎng)關(guān)訪問(wèn)時(shí)，就牽扯到 MAC 地址和 IP 地址的變化，因此，我們先來(lái)看下 MAC 頭和 IP 頭的細(xì)節(jié)。

????如圖，在 MAC 頭里，先是目標(biāo) MAC 地址，然后是源 MAC 地址，最后是協(xié)議類型。

????在 IP 頭里，最重要的就是源 IP 地址和目標(biāo) IP 地址。除此之外，還有版本號(hào)，也就是我們常說(shuō)的 IPv4 和 IPv6、服務(wù)類型 TOS（表示數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)）、TTL（數(shù)據(jù)包生存周期）以及標(biāo)識(shí)協(xié)議（TCP 和 UDP）

????當(dāng)我們?cè)L問(wèn)博客園時(shí)，經(jīng)過(guò)的第一個(gè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)該就是我們配置的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。當(dāng)本機(jī)訪問(wèn)默認(rèn)網(wǎng)關(guān)時(shí)，還是走局域網(wǎng)內(nèi)部訪問(wèn)的步驟：

將源地址和目標(biāo) IP 地址放入 IP 頭；

通過(guò) ARP 協(xié)議獲得網(wǎng)關(guān)的 MAC 地址；

將源 MAC 地址和網(wǎng)關(guān)的 MAC 地址放入 MAC 頭中，發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

????而我們的網(wǎng)關(guān)，一般就是指家里的路由器，是一個(gè)三層轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備。它會(huì)把 MAC 頭和 IP 頭都取下來(lái)，然后根據(jù)里面的內(nèi)容，看看接下來(lái)把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到哪里。

????很多情況下，人們把網(wǎng)關(guān)叫做路由器。其實(shí)并不準(zhǔn)備，用這個(gè)比喻應(yīng)該更為恰當(dāng)些：

路由器是一臺(tái)設(shè)備，它有五個(gè)網(wǎng)口或者網(wǎng)卡，相當(dāng)于有五只手，分別連著五個(gè)局域網(wǎng)。每只手的 IP 地址都和局域網(wǎng)的 IP 地址有著相同的網(wǎng)段，每只手都是它握住的那個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。

????任何一個(gè)想發(fā)往其他局域網(wǎng)的包，都會(huì)到達(dá)其中一只手，被拿進(jìn)來(lái)，拿下 MAC 頭和 IP 頭，然后根據(jù)自己的路由算法，選擇另一只手，加上 IP 頭和 MAC 頭，然后扔出去。

????注意，在上面這個(gè)過(guò)程中，有出現(xiàn)路由算法。接下來(lái)，我們就來(lái)認(rèn)識(shí)下它。

????路由算法，又名選路算法，是提高路由協(xié)議功能，盡量減少路由時(shí)所帶來(lái)的開(kāi)銷的算法。

????路由算法可以根據(jù)多個(gè)特性來(lái)加以區(qū)分，找到到達(dá)目的地的最佳路由。

路由算法的區(qū)分點(diǎn)有很多，有

靜態(tài)與動(dòng)態(tài)

單路徑與多路徑

平坦與分層

主機(jī)智能與路由器智能

域內(nèi)與域間

鏈接狀態(tài)與距離向量

????這里主要介紹靜態(tài)與動(dòng)態(tài)路由算法。

????靜態(tài)路由算法，實(shí)質(zhì)上是由網(wǎng)關(guān)配置好的映射表。

????我們家里的路由器，可能會(huì)有這樣的路由配置

訪問(wèn)博客園，從 2 號(hào)口出去，下一跳是 IP2；
訪問(wèn)百度，從 3 號(hào)口出去，下一跳是 IP3。

????類似上述這樣的規(guī)則就是靜態(tài)路由，按照一定的語(yǔ)法保存在路由器里。

????每當(dāng)要選擇從哪個(gè)口拋出去的時(shí)候，就一條一條的匹配規(guī)則，找到符合的規(guī)則，就按規(guī)則辦事，從指定口拋出去，找下一跳 IP。

????之前我們了解到，MAC 地址是一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)才有效的地址。因此，MAC 地址只要過(guò)網(wǎng)關(guān)，就肯定會(huì)改變。而 IP 地址在過(guò)網(wǎng)關(guān)后 ，就不一定會(huì)改變了。

????經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān) A 后，如果IP 地址沒(méi)有改變，那 A 就是轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)，否則，就是NAT網(wǎng)關(guān)。

轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)

????如上圖，服務(wù)器 A 要訪問(wèn)服務(wù)器 B，要經(jīng)過(guò)過(guò)程：

1）服務(wù)器 A 到 網(wǎng)關(guān) A

檢查 B 的網(wǎng)段，發(fā)現(xiàn)不在同一個(gè)網(wǎng)段，因此發(fā)給網(wǎng)關(guān)

由于網(wǎng)關(guān)的 IP 地址是已經(jīng)配置好了，因此發(fā)送 ARP 獲取網(wǎng)關(guān)的 MAC 地址

發(fā)送包

而最后發(fā)送包的內(nèi)容主要有：

源 MAC：服務(wù)器 A 的 MAC

模板 MAC：192.168.1.1 網(wǎng)關(guān)的 MAC

源 IP：192.168.1.101

目標(biāo) IP：192.168.4.101

????數(shù)據(jù)包到達(dá) 192.168.1.1 這個(gè)網(wǎng)口后，網(wǎng)口發(fā)現(xiàn) MAC 地址是它的，就將包收進(jìn)來(lái)，然后開(kāi)始“思考”往哪里轉(zhuǎn)發(fā)。

????這時(shí)候，路由器 A 中配置了規(guī)則 A1：

要訪問(wèn) 192.168.4.0/24，就從 192.168.56.1 這個(gè)網(wǎng)口出去，下一跳是 192.168.56.2

2）網(wǎng)關(guān) A 到 網(wǎng)關(guān) B

????于是，路由器 A 匹配了 A1，要從 192.168.56.1 這個(gè)口發(fā)出去，發(fā)給 192.168.56.2。于是，又開(kāi)始了這個(gè)過(guò)程：

檢查 B 的網(wǎng)段，發(fā)現(xiàn)在同一個(gè)網(wǎng)段， ARP 獲取 MAC 地址

發(fā)送包

數(shù)據(jù)包的內(nèi)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(biāo) IP：192.168.4.101

????數(shù)據(jù)包到達(dá) 192 .168.56.2 網(wǎng)口，網(wǎng)口發(fā)現(xiàn) MAC 地址是它的，就將包收進(jìn)來(lái)，然后去檢查路由規(guī)則。

????路由器 B 配置以下規(guī)則 B1：

想訪問(wèn) 192.168.4.0/24，就從 192.168.4.1

????而路由器 B 發(fā)現(xiàn)，它的右網(wǎng)口就是目標(biāo)地址網(wǎng)段的，因此就沒(méi)有下一跳了。

3）網(wǎng)關(guān) B 到 服務(wù)器 B

路由器 B 匹配上 B1。從 192.168.4.1 出口，發(fā)給 192.168.4.101。數(shù)據(jù)包內(nèi)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(biāo) IP：192.168.4.101

????服務(wù)器 B 收到數(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn) MAC 地址是它的，就把包收進(jìn)來(lái)。

????通過(guò)上面的過(guò)程可以看出，每到一個(gè)新的局域網(wǎng)， MAC 地址都是要變的，而 IP 地址則都不變。在 IP 頭里面，不會(huì)保存任何網(wǎng)關(guān)的 IP 地址。

????而我們說(shuō)的下一跳，就是某個(gè) IP 要將這個(gè) IP 地址轉(zhuǎn)換為 MAC 放入 MAC 頭。

NAT 網(wǎng)關(guān)

????NAT 網(wǎng)關(guān)，也就是 Network Address Translation。

????由于各個(gè)局域網(wǎng)都有各自的網(wǎng)段，很容易出現(xiàn) IP 沖突的情況。如上圖，美國(guó)服務(wù)器 A 的 IP 地址和 法國(guó)服務(wù)器 B 的 IP 地址都是 192.168.1.101/24，從 IP 上看，好像是自己訪問(wèn)自己，但實(shí)際上從美國(guó)的 192.168.1.101 訪問(wèn)法國(guó)的 192.168.1.101。

????如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？既然局域網(wǎng)之間沒(méi)有商量好 IP 分配，各管各的，那到國(guó)際上，也就是中間的局域網(wǎng)里面，就需要使用另外的地址，就像出國(guó)后，我們要改用護(hù)照一樣。

????首先，目標(biāo)服務(wù)器 B 在國(guó)際上要有一個(gè)國(guó)際的身份，我們給它一個(gè) 190.168.56.2.在網(wǎng)關(guān) B 上，我們記下來(lái)，國(guó)際身份 192.168.56.2 對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)身份 192.168.1.101.凡是要訪問(wèn) 192.168.56.2 的，網(wǎng)關(guān)都要轉(zhuǎn)成 192.168.1.101。

????于是，源服務(wù)器 A 要訪問(wèn)目標(biāo)服務(wù)器 B，目標(biāo)地址就變成國(guó)際 IP 地址 192.168.56.2。過(guò)程如下：

1）源服務(wù)器 A 發(fā)數(shù)據(jù)包到網(wǎng)關(guān) A

檢查服務(wù)器 B IP，不在同一網(wǎng)段

ARP 獲取網(wǎng)關(guān) MAC 地址

發(fā)送包

數(shù)據(jù)包的內(nèi)容是這樣的：

源 MAC：服務(wù)器 A 的 MAC

目標(biāo) MAC：192.168.1.1 這個(gè)網(wǎng)口的 MAC

源 IP：192.168.1.101

目標(biāo) IP：192.168.56.2

????路由器 A 中 192.168.1.1 這個(gè)網(wǎng)口收到數(shù)據(jù)包后，檢查 MAC 地址一致，將包收進(jìn)來(lái)。

????在路由器 A 中配置了規(guī)則：

想訪問(wèn) 192.168.56.2/24，就從 192.168.56.1 網(wǎng)口發(fā)出去，發(fā)給 192.168.56.2，沒(méi)有下一跳。

????由于路由器的右網(wǎng)口（192.168.56.1） IP 地址和目標(biāo) IP 地址在同一網(wǎng)段，因此沒(méi)有下一跳。

2）網(wǎng)關(guān) A 到網(wǎng)關(guān) B
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送到中間的局域網(wǎng)時(shí)，服務(wù)器 A 也需要有個(gè)國(guó)際身份。因此，源 IP 地址 192.168.1.101 要改成 192.168.56.1，所以數(shù)據(jù)包的內(nèi)容是：

源 MAC：192.168.56.1 的 MAC

目標(biāo) MAC：192.168.56.2 的 MAC

源 IP：192.168.56.1

目標(biāo) IP：192.168.56.2

????包到達(dá) 192.168.56.2 這個(gè)網(wǎng)口后，發(fā)現(xiàn) MAC 一致，就將包收進(jìn)來(lái)。

????而路由器 B 是 NAT 網(wǎng)關(guān)，它上面配置了，國(guó)際身份 192.168.56.2 對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)的 192.168.1.101，于是目標(biāo)地址改為 192.168.1.101。

????同樣的，路由器 B 中配置了規(guī)則：

想訪問(wèn) 192.168.1.101，就從 192.168.1.1 網(wǎng)口出去，沒(méi)有下一跳。

????于是，數(shù)據(jù)包就從 192.168.1.1 這個(gè)網(wǎng)口發(fā)給 192.168.1.101。

3）網(wǎng)關(guān) B 到服務(wù)器 B
數(shù)據(jù)包從 192.168.1.1 網(wǎng)口發(fā)出后，同樣經(jīng)過(guò)這些步驟：

檢查服務(wù)器 B 的 IP，在同一網(wǎng)段

ARP 獲取服務(wù)器 B 的 MAC 地址

發(fā)送包

這時(shí)的數(shù)據(jù)包就變成了：

源 MAC：192.168.1.1 的 MAC

目標(biāo) MAC：192.168.1.101 的 MAC

源 IP：192.168.56.1

目標(biāo) IP：192.168.1.101

????服務(wù)器收到包后，檢查 MAC 地址一致，就將數(shù)據(jù)包收進(jìn)來(lái)。

????從服務(wù)器 B 接收的數(shù)據(jù)包可以看出，源 IP 為 服務(wù)器 A 的國(guó)際身份，因而發(fā)送返回包的時(shí)候，也發(fā)給這個(gè)國(guó)際身份，由路由器 A 做 NAT，轉(zhuǎn)換為國(guó)內(nèi)身份。

動(dòng)態(tài)路由算法

距離矢量路由算法

1）基本思路

基于Bellman-Ford 算法。每個(gè)路由器都保存一個(gè)路由表，包含多行，每行對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)路由器，每一行包含兩部分信息，一個(gè)是要到目標(biāo)路由器，從哪條線出去，另一個(gè)是到目標(biāo)路由器的距離

2）存在問(wèn)題

a. 好消息傳得塊，壞消息傳的慢。

新加入的路由器能夠很快的新路由器信息廣播出去。但是如果一個(gè)路由器掛了，掛的消息沒(méi)有廣播。每個(gè)經(jīng)過(guò)這個(gè)宕機(jī)節(jié)點(diǎn)的路由器，無(wú)法得知該節(jié)點(diǎn)一宕機(jī)，而是試圖通過(guò)其他的路徑訪問(wèn)，直到試過(guò)了所有的路徑，才發(fā)現(xiàn)這個(gè)路由器已經(jīng)宕機(jī)了。

示例：

b. 每次發(fā)送消息，要發(fā)送整個(gè)全局路由表

????上面的兩個(gè)問(wèn)題，限制了距離矢量路由的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，僅適用于小型網(wǎng)絡(luò)（小于 15 跳）。

鏈路狀態(tài)路由算法

1）基本思路

基于Dijkstra 算法。當(dāng)一個(gè)路由器加入網(wǎng)絡(luò)是，首先是發(fā)現(xiàn)鄰居，給鄰居說(shuō) hello，鄰居都回復(fù)。然后計(jì)算和鄰居的距離，發(fā)送一個(gè) echo，要求馬上返回，除以 2 就是距離。接著將自己和鄰居之間的鏈路狀態(tài)包廣播出去，發(fā)送到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)路由器。

????這種算法中，每個(gè)路由器都能在自己本地構(gòu)建一個(gè)完整的圖，然后針對(duì)這個(gè)圖使用 Dijkstra 算法，找到兩點(diǎn)之間的最短路徑。

????不像距離矢量路由協(xié)議那樣，更新時(shí)發(fā)送整個(gè)路由表。鏈路狀態(tài)路由協(xié)議只廣播更新的或改變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，這使得更新信息更小，節(jié)省了寬帶和 CPU 利用率。而且一旦一個(gè)路由器掛了，它的鄰居都會(huì)廣播這個(gè)消息，可以使得壞消息迅速收斂。

動(dòng)態(tài)路由協(xié)議

基于鏈路狀態(tài)路由算法的 OSPF

OSPF（Open Shortest Path First, 開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先）協(xié)議，廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心的協(xié)議。由于主要用在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，用于路由決策，因此稱為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Interior Gateway Protocol，簡(jiǎn)稱 IGP）

????內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議的重點(diǎn)就是找到最短路徑。當(dāng)存在多個(gè)最短路徑時(shí)，可以在這多個(gè)路徑中進(jìn)行負(fù)載均衡，這常常被稱為等價(jià)路由。

????等價(jià)路由不僅可以用來(lái)分?jǐn)偭髁?，還可以提高容錯(cuò)率，當(dāng)一條路徑不通時(shí)，還可以通過(guò)另外一條路到達(dá)目的地。

基于距離矢量路由算法的 BGP

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)之間的路由協(xié)議，稱為外網(wǎng)路由協(xié)議（Border Gateway Protocol，簡(jiǎn)稱 BGP）

????每個(gè)數(shù)據(jù)中心都有自己的路由配置。例如，哪些外部 IP 可以讓內(nèi)部知曉，哪些內(nèi)部 IP 可以讓外部知曉，哪些可以通過(guò)，哪些不能通過(guò)。

????因此，在各個(gè)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行交互時(shí)，需要一種協(xié)議，通過(guò)這種協(xié)議，可以知道相鄰數(shù)據(jù)中心的路由配置，從而找到數(shù)據(jù)中心之間最好的路由。

????BGP 協(xié)議就是這樣的協(xié)議。它不著眼于發(fā)現(xiàn)和計(jì)算路由，而在于控制路由的傳播和選擇最好的路由。

數(shù)據(jù)包要離開(kāi)本局域網(wǎng)，就要經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)就是路由器的一個(gè)網(wǎng)口；

路由器是一個(gè)三層設(shè)備，理由有如何尋找下一跳的規(guī)則；

經(jīng)過(guò)路由器之后的 MAC 頭肯定會(huì)變。如果 IP 不變，就是 轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)，否則就是 NAT網(wǎng)關(guān)；

路由分靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由，動(dòng)態(tài)路由可以配置復(fù)雜的策略路由，控制轉(zhuǎn)發(fā)策略；

動(dòng)態(tài)路由主流算法有兩種，距離矢量算法和鏈路狀態(tài)算法?；趦煞N算法產(chǎn)生兩種協(xié)議，BGP 協(xié)議和 OSPF 協(xié)議。

參考：

百度百科

劉超-趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議系列課；