摘要：動態(tài)路由協(xié)議基于鏈路狀態(tài)路由算法的開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議，廣泛應用在數(shù)據(jù)中心的協(xié)議。基于距離矢量路由算法的針對網(wǎng)絡之間的路由協(xié)議，稱為外網(wǎng)路由協(xié)議，簡稱每個數(shù)據(jù)中心都有自己的路由配置。

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

????這個過程中，跨網(wǎng)關訪問是我們要了解的第一個內容。

????當我們要了解跨網(wǎng)關訪問時，就牽扯到 MAC 地址和 IP 地址的變化，因此，我們先來看下 MAC 頭和 IP 頭的細節(jié)。

????如圖，在 MAC 頭里，先是目標 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 IP 地址。除此之外，還有版本號，也就是我們常說的 IPv4 和 IPv6、服務類型 TOS（表示數(shù)據(jù)包優(yōu)先級）、TTL（數(shù)據(jù)包生存周期）以及標識協(xié)議（TCP 和 UDP）

????當我們訪問博客園時，經過的第一個網(wǎng)關應該就是我們配置的默認網(wǎng)關。當本機訪問默認網(wǎng)關時，還是走局域網(wǎng)內部訪問的步驟：

將源地址和目標 IP 地址放入 IP 頭；

通過 ARP 協(xié)議獲得網(wǎng)關的 MAC 地址；

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

????而我們的網(wǎng)關，一般就是指家里的路由器，是一個三層轉發(fā)的設備。它會把 MAC 頭和 IP 頭都取下來，然后根據(jù)里面的內容，看看接下來把數(shù)據(jù)包轉發(fā)到哪里。

????很多情況下，人們把網(wǎng)關叫做路由器。其實并不準備，用這個比喻應該更為恰當些：

路由器是一臺設備，它有五個網(wǎng)口或者網(wǎng)卡，相當于有五只手，分別連著五個局域網(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局域網(wǎng)的網(wǎng)關。

????任何一個想發(fā)往其他局域網(wǎng)的包，都會到達其中一只手，被拿進來，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，在上面這個過程中，有出現(xiàn)路由算法。接下來，我們就來認識下它。

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

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

路由算法的區(qū)分點有很多，有

靜態(tài)與動態(tài)

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

鏈接狀態(tài)與距離向量

????這里主要介紹靜態(tài)與動態(tài)路由算法。

????靜態(tài)路由算法，實質上是由網(wǎng)關配置好的映射表。

????我們家里的路由器，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。

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

????每當要選擇從哪個口拋出去的時候，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 地址是一個局域網(wǎng)內才有效的地址。因此，MAC 地址只要過網(wǎng)關，就肯定會改變。而 IP 地址在過網(wǎng)關后 ，就不一定會改變了。

????經過網(wǎng)關 A 后，如果IP 地址沒有改變，那 A 就是轉發(fā)網(wǎng)關，否則，就是NAT網(wǎng)關。

轉發(fā)網(wǎng)關

????如上圖，服務器 A 要訪問服務器 B，要經過過程：

1）服務器 A 到 網(wǎng)關 A

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

由于網(wǎng)關的 IP 地址是已經配置好了，因此發(fā)送 ARP 獲取網(wǎng)關的 MAC 地址

發(fā)送包

而最后發(fā)送包的內容主要有：

源 MAC：服務器 A 的 MAC

模板 MAC：192.168.1.1 網(wǎng)關的 MAC

源 IP：192.168.1.101

目標 IP：192.168.4.101

????數(shù)據(jù)包到達 192.168.1.1 這個網(wǎng)口后，網(wǎng)口發(fā)現(xiàn) MAC 地址是它的，就將包收進來，然后開始“思考”往哪里轉發(fā)。

????這時候，路由器 A 中配置了規(guī)則 A1：

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

2）網(wǎng)關 A 到 網(wǎng)關 B

????于是，路由器 A 匹配了 A1，要從 192.168.56.1 這個口發(fā)出去，發(fā)給 192.168.56.2。于是，又開始了這個過程：

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

發(fā)送包

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包到達 192 .168.56.2 網(wǎng)口，網(wǎng)口發(fā)現(xiàn) MAC 地址是它的，就將包收進來，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 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)口就是目標地址網(wǎng)段的，因此就沒有下一跳了。

3）網(wǎng)關 B 到 服務器 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(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn) MAC 地址是它的，就把包收進來。

????通過上面的過程可以看出，每到一個新的局域網(wǎng)， MAC 地址都是要變的，而 IP 地址則都不變。在 IP 頭里面，不會保存任何網(wǎng)關的 IP 地址。

????而我們說的下一跳，就是某個 IP 要將這個 IP 地址轉換為 MAC 放入 MAC 頭。

NAT 網(wǎng)關

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

????由于各個局域網(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，好像是自己訪問自己，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(wǎng)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(wǎng)里面，就需要使用另外的地址，就像出國后，我們要改用護照一樣。

????首先，目標服務器 B 在國際上要有一個國際的身份，我們給它一個 190.168.56.2.在網(wǎng)關 B 上，我們記下來，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(wǎng)關都要轉成 192.168.1.101。

????于是，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。過程如下：

1）源服務器 A 發(fā)數(shù)據(jù)包到網(wǎng)關 A

檢查服務器 B IP，不在同一網(wǎng)段

ARP 獲取網(wǎng)關 MAC 地址

發(fā)送包

數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)口收到數(shù)據(jù)包后，檢查 MAC 地址一致，將包收進來。

????在路由器 A 中配置了規(guī)則：

想訪問 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，沒有下一跳。

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

2）網(wǎng)關 A 到網(wǎng)關 B
當網(wǎng)絡包發(fā)送到中間的局域網(wǎng)時，服務器 A 也需要有個國際身份。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(wǎng)口后，發(fā)現(xiàn) MAC 一致，就將包收進來。

????而路由器 B 是 NAT 網(wǎng)關，它上面配置了，國際身份 192.168.56.2 對應國內的 192.168.1.101，于是目標地址改為 192.168.1.101。

????同樣的，路由器 B 中配置了規(guī)則：

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

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

3）網(wǎng)關 B 到服務器 B
數(shù)據(jù)包從 192.168.1.1 網(wǎng)口發(fā)出后，同樣經過這些步驟：

檢查服務器 B 的 IP，在同一網(wǎng)段

ARP 獲取服務器 B 的 MAC 地址

發(fā)送包

這時的數(shù)據(jù)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

????服務器收到包后，檢查 MAC 地址一致，就將數(shù)據(jù)包收進來。

????從服務器 B 接收的數(shù)據(jù)包可以看出，源 IP 為 服務器 A 的國際身份，因而發(fā)送返回包的時候，也發(fā)給這個國際身份，由路由器 A 做 NAT，轉換為國內身份。

動態(tài)路由算法

距離矢量路由算法

1）基本思路

基于Bellman-Ford 算法。每個路由器都保存一個路由表，包含多行，每行對應網(wǎng)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。

新加入的路由器能夠很快的新路由器信息廣播出去。但是如果一個路由器掛了，掛的消息沒有廣播。每個經過這個宕機節(jié)點的路由器，無法得知該節(jié)點一宕機，而是試圖通過其他的路徑訪問，直到試過了所有的路徑，才發(fā)現(xiàn)這個路由器已經宕機了。

示例：

b. 每次發(fā)送消息，要發(fā)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(wǎng)絡規(guī)模，僅適用于小型網(wǎng)絡（小于 15 跳）。

鏈路狀態(tài)路由算法

1）基本思路

基于Dijkstra 算法。當一個路由器加入網(wǎng)絡是，首先是發(fā)現(xiàn)鄰居，給鄰居說 hello，鄰居都回復。然后計算和鄰居的距離，發(fā)送一個 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)送到整個網(wǎng)絡的每個路由器。

????這種算法中，每個路由器都能在自己本地構建一個完整的圖，然后針對這個圖使用 Dijkstra 算法，找到兩點之間的最短路徑。

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

動態(tài)路由協(xié)議

基于鏈路狀態(tài)路由算法的 OSPF

OSPF（Open Shortest Path First, 開放式最短路徑優(yōu)先）協(xié)議，廣泛應用在數(shù)據(jù)中心的協(xié)議。由于主要用在數(shù)據(jù)中心內部，用于路由決策，因此稱為內部網(wǎng)關協(xié)議（Interior Gateway Protocol，簡稱 IGP）

????內部網(wǎng)關協(xié)議的重點就是找到最短路徑。當存在多個最短路徑時，可以在這多個路徑中進行負載均衡，這常常被稱為等價路由。

????等價路由不僅可以用來分攤流量，還可以提高容錯率，當一條路徑不通時，還可以通過另外一條路到達目的地。

基于距離矢量路由算法的 BGP

針對網(wǎng)絡之間的路由協(xié)議，稱為外網(wǎng)路由協(xié)議（Border Gateway Protocol，簡稱 BGP）

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

????因此，在各個數(shù)據(jù)中心進行交互時，需要一種協(xié)議，通過這種協(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)包要離開本局域網(wǎng)，就要經過網(wǎng)關，網(wǎng)關就是路由器的一個網(wǎng)口；

路由器是一個三層設備，理由有如何尋找下一跳的規(guī)則；

經過路由器之后的 MAC 頭肯定會變。如果 IP 不變，就是 轉發(fā)網(wǎng)關，否則就是 NAT網(wǎng)關；

路由分靜態(tài)路由和動態(tài)路由，動態(tài)路由可以配置復雜的策略路由，控制轉發(fā)策略；

動態(tài)路由主流算法有兩種，距離矢量算法和鏈路狀態(tài)算法。基于兩種算法產生兩種協(xié)議，BGP 協(xié)議和 OSPF 協(xié)議。

參考：

百度百科

劉超-趣談網(wǎng)絡協(xié)議系列課；