路由原理

数据链路层实现了链路接入功能，负责将数据从一个节点传输到相邻的节点。

数据链路层的协议很多，以太网是其中最为流行的一个。通过以太网通信的主机，需要连接到同一个以太网网络。不管采用何种设备，以何种方式连接，以太网从逻辑上都可以抽象成这样：

以太网中的主机都是邻居关系，任何主机都可以通过以太网帧与其他主机进行直接通信。

当然了，设备和连接方式会影响通信的效率，但不会改变通信逻辑。

单个以太网的规模是非常有限的，但我们可以用网络层设备—— 路由器 ，将多个以太网组织成更大的网络。大网络内的所有主机，都可以通过网络层协议—— IP协议 ，进行通信。

为了彻底理解网络层、IP协议以及路由器的工作原理，我们构建一个极简网络拓扑，深入研究：

图中有两个以太网络，分别是以太网①和以太网②。以太网①中有三台主机，分别是 ant 、bee 和 cicada ；以太网②中有两台主机，apple 和 banana ；中间的路由器，同时接入这两个以太网。

我们给以太网①中的通信实体，分配一个 192.168.1.x 段的 IP 地址：

通信实体 网卡 MAC地址 IP地址
路由器 eth1 fa:1c:b2:d0:b0:01 192.168.1.1
ant eth0 1e:1f:84:08:d2:aa 192.168.1.2
bee eth0 e6:04:b1:10:f1:bb 192.168.1.3
cicada eth0 ce:ba:ec:ff:fd:cc 192.168.1.4

同样，给以太网②中的通信实体，分配一个 192.168.2.x 段的 IP 地址：

通信实体 网卡 MAC地址 IP地址
路由器 eth2 ee:21:30:4a:5a:02 192.168.2.1
apple eth0 b6:f1:81:44:21:11 192.168.2.2
banana eth0 22:5b:7c:b3:d6:22 192.168.2.3

此外，每个通信实体还需要配置路由表，我们列举几个例子：

通信实体 规则
ant 192.168.1.x 直接从eth0网卡发出去；192.168.2.x 先发给192.168.1.1，由它负责转发
bee 192.168.1.x 直接从eth0网卡发出去；192.168.2.x 先发给192.168.1.1，由它负责转发
apple 192.168.2.x 直接从eth0网卡发出去；192.168.1.x 先发给192.168.2.1，由它负责转发
路由器 192.168.1.x 直接从eth1网卡发出去；192.168.2.x 直接从eth2网卡发出去

路由表准备好后，主机就可以互相通信了，分为两种不同场景：

  • 本地网通信，例如 ant-bee ；
  • 网际通信，例如 ant-apple ；

本地网通信

主机 ant 和 bee 接入同一个以太网络，它们的 IP 地址也在同一段，这样与主机直接连接的网络称为 本地网 。同一网络内的主机可以直接通信，无须借助第三方。具体如何进行呢？

假设主机 ant 通过 IP 协议向主机 bee 发送数据，数据封装成 IP 包，其中：

  • 源地址 是 ant 的 IP 地址，即： 192.168.1.2
  • 目的地址 是 bee 的 IP 地址，即： 192.168.1.3

IP 包封装好后，主机查询路由表：去往 192.168.1.x 网段的 IP 包，可以直接从 eth0 网卡发出去。这表明：目标网络就是 eth0 网卡接入的本地网络，该 IP 包可以通过以太网帧直接发给目标主机。

接着，主机将 IP 包封装到以太网帧中，从 eth0 网卡发送出去，其中：

  • 源地址 是 ant 主机 eth0 网卡的 MAC 地址，即： 1e:1f:84:08:d2:aa
  • 目的地址 是 bee 主机 eth0 网卡的 MAC 地址， e6:04:b1:10:f1:bb

那么，主机 ant 怎么知道 192.168.1.3 这台主机( bee )的 MAC 地址呢？实际上，主机 ant 内部需要维护一张映射表，记录本地网主机 IP 到 MAC 地址的映射关系：

IP地址 MAC地址 备注
192.168.1.1 fa:1c:b2:d0:b0:01 路由器
192.168.1.3 e6:04:b1:10:f1:bb bee
192.168.1.4 ce:ba:ec:ff:fd:cc cicada

至于这个映射表是如何获得的，谜底将在 ARP 协议一章揭晓。

主机 bee 接到以太网帧后，即可取出 IP 包，进而取出封装在其中的数据。

这就是本地网主机通过 IP 协议通信的全过程，请结合下图理解，重点体会 IP 包和以太网帧的地址：

网际通信

主机 ant 和 apple 位于不同的网络中，IP 地址也不在同一段，无法直接通信。这种跨网络通信称为 网际通信 ，需要借助 路由器 来实现。具体步骤又是怎样的呢？

假设主机 ant 通过 IP 协议向主机 apple 发送数据，数据封装成 IP 包，其中：

  • 源地址 是 ant 的 IP 地址，即： 192.168.1.2
  • 目的地址 是 apple 的 IP 地址，即： 192.168.2.2

IP 包封装好后，主机查询路由表：去往 192.168.2.x 网段的 IP 包，需要先发给路由器 192.168.1.1 ，由它负责转发。由于路由器 192.168.1.1 位于本地网，主机可以将 IP 包搭载在以太网帧中，通过 eth0 网卡发给它。

主机先根据路由 IP 地址从映射表中取出路由的 MAC 地址，然后完成以太网帧封装，其中：

  • 源地址 是 ant 主机 eth0 网卡的 MAC 地址，即： 1e:1f:84:08:d2:aa
  • 目的地址 是路由器 eth1 网卡的 MAC 地址， fa:1c:b2:d0:b0:01

当路由器接到以太网帧后，从中取出 IP 包，发现它是发往 192.168.2.2 的。路由器同样查询路由表，发现： 192.168.2.x 是个直连的本地网络，可以通过 eth2 网卡直接通信。

路由器从内部映射表中查到 192.168.2.2 对应的 MAC 地址，并将 IP 封装在以太网帧中从 eth2 网卡发出去：

  • 源地址 是路由器 eth2 网卡的 MAC 地址，即： ee:21:30:4a:5a:02
  • 目的地址 是 apple 主机 eth0 网卡的 MAC 地址，即 b6:f1:81:44:21:11

主机 apple 接到以太网帧后，即可取出 IP 包，进而得到 ant 发给它的数据。

这就是网际主机通过 IP 协议通信的全过程，请结合下图理解，重点体会 IP 包和以太网帧封装和转发步骤：

实验演示

本文讨论的网络拓扑环境，同样由 docker 提供，只需执行以下命令即可一键打开：

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docker run --name single-router --rm -it --privileged --cap-add=NET_ADMIN --cap-add=SYS_ADMIN -v /data fasionchan/netbox:0.11 launch-netenv single-router

如果屏幕出现 press Ctrl-C to exit 说明实验环境已经成功启动，实验完毕后，输入 Ctrl-C 即可一键退出。

实验环境启动后，只需执行以下命令，即可进入主机 ant ：

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docker exec -it single-router netbox-main launch-netenv nsvm-util enter-nsvm ant

如果看到这个熟悉的命令行提示符，说明已经成功进入主机 ant ：

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root@ant [ ~ ]  ➜

先观察一下主机 ant 网卡 eth0 的情况，重点它的 MAC 地址和 IP 地址：

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root@ant [ ~ ]  ➜ ip addr show eth0
6: eth0@if5: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether 1e:1f:84:08:d2:aa brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 192.168.1.2/24 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever

这里看到的信息跟前面的表格是一致的。

将上一个命令中的 ant 改成 router ，执行即可进入中间的路由器；同理，我们可以进入主机 bee ：

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docker exec -it single-router netbox-main launch-netenv nsvm-util enter-nsvm bee

同样先观察 eth0 网卡上的地址信息，跟前面的表格是一致的：

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root@bee [ ~ ]  ➜ ip addr show eth0
8: eth0@if7: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP group default qlen 1000
    link/ether e6:04:b1:10:f1:bb brd ff:ff:ff:ff:ff:ff link-netnsid 0
    inet 192.168.1.3/24 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever

接下来我们观察路由表，可以用 route 命令或者 ip 命令，以主机 ant 为例：

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root@ant [ ~ ]  ➜ route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth0
192.168.2.0     192.168.1.1     255.255.255.0   UG    0      0        0 eth0

route 命令输出两条路由规则，每条占一行，分别有目的地、网关、子网掩码、标志位以及出口设备等好几列。其中，目的地结合子网掩码确定目的网段，例如 192.168.1.0/255.255.255.0 表示 192.168.1.x 这个网段。

子网掩码将在后面章节详细介绍，这里只需有一个大概印象即可。

第一条路由记录(第 4 行)的意思是，去往 192.168.1.x 网段的 IP 包，都可以通过 eth0 直接发送出去。网关 0.0.0.0 表示 IP 包无须通过任何路由中介进行转发，也就是说 192.168.1.x 网段是一个本地网段，可以直接通信。

第二条路由记录(第 5 行)的意思是，去往 192.168.2.x 网段的 IP 包，需要先发给 192.168.1.1 ，由它负责转发；而网关 192.168.1.1 可以通过 eth0 网卡直接通信。

ip 是一个比较新的命令，更推荐使用。它输出的路由信息相对来说更紧凑：

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root@ant [ ~ ]  ➜ ip route
192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.2
192.168.2.0/24 via 192.168.1.1 dev eth0

192.168.1.0/24 是子网掩码的另一种表示法，代表 192.168.1.x 这个网段，具体细节将在后续章节展开介绍。

第一条路由的意思是，去往 192.168.1.x 网段的 IP 包，可以直接从 eth0 网卡中发送出去；第二条路由则表示，去往 192.168.2.x 也可以通过 eth0 网卡发送，但必须先发给 192.168.1.1 ，由它负责转发。

很显然，主机 ant 上的这两条路由，特征显著不同：

  • 第一条属于 直接路由 ，目的网段是本地网，可以通过网卡直接发送出去，属于 本地网通信 场景；
  • 第二条属于 间接路由 ，目的网段是其他网络，需要通过路由转发，属于 网际通信 场景；
路由种类 通信场景 route命令特征 ip命令特征
直接路由 本地网通信 网关为空，即0.0.0.0；标志位不带G 不带via
间接路由 网际通信 网关非空；标志位带G 带via

现在，尝试在主机 ant 上，向主机 bee 发送 IP 包。我们使用 ping 命令，它可以向目标主机发送一个特殊的 IP 包；主机接到这样的包后，将返回另一个 IP 包作为响应，以此检查网络是否畅通。

开始之前，我们分别在主机 bee 和路由器 router 上运行 tcpdump 程序，观察可能达到的 IP 包：

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root@bee [ ~ ]  ➜ tcpdump -eni any ip

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root@router [ ~ ]  ➜ tcpdump -eni any ip

tcpdump -e 参数用于显示以太网帧头部信息。

现在，回到主机 ant ，执行 ping 命令，向 bee 发出一个 IP 包：

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root@ant [ ~ ]  ➜ ping -c 1 192.168.1.3
PING 192.168.1.3 (192.168.1.3) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.1.3: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.219 ms

--- 192.168.1.3 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.219/0.219/0.219/0.000 ms

命令输出显示，主机 ant 很快就收到 bee 响应的回包，往返时间在 0.2 毫秒左右。

主机 bee 上，tcpdump 观察到 ant 发来的 IP 包以及系统自动回复的响应包：

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root@bee [ ~ ]  ➜ tcpdump -eni any ip
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on any, link-type LINUX_SLL (Linux cooked v1), capture size 262144 bytes
11:12:02.330044  In 1e:1f:84:08:d2:aa ethertype IPv4 (0x0800), length 100: 192.168.1.2 > 192.168.1.3: ICMP echo request, id 629, seq 1, length 64
11:12:02.330114 Out e6:04:b1:10:f1:bb ethertype IPv4 (0x0800), length 100: 192.168.1.3 > 192.168.1.2: ICMP echo reply, id 629, seq 1, length 64

第一行是主机 bee 接到主机 ant 的来包，关键字 In 表示入站。该包是 1e:1f:84:08:d2:aa 发来的以太网帧，以太类型是 0x0800 ，数据承载着一个 IP 包；IP 包是由 192.168.1.2/ant 发到 192.168.1.3/bee 的。

IP 包中还承载着一个 ICMP 协议的包，用于探测主机连通性，我们先按下不表。

第二行是主机 bee 回复主机 ant 的响应包，关键字 OUT 表示出站，请结合上一个对照理解。

注意到，路由器 router 可能也会收到这个包，这是为什么呢？

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root@router [ ~ ]  ➜ tcpdump -eni any ip
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on any, link-type LINUX_SLL (Linux cooked v1), capture size 262144 bytes
11:12:02.329995   P 1e:1f:84:08:d2:aa ethertype IPv4 (0x0800), length 100: 192.168.1.2 > 192.168.1.3: ICMP echo request, id 629, seq 1, length 64

我们知道，IP 包承载在以太网帧中从 1e:1f:84:08:d2:aa/ant 发往 e6:04:b1:10:f1:bb/bee 。还记得以太网协议中学到的内容吗？以太网交换机一开始可能还没有学习到主机 bee 的地址 e6:04:b1:10:f1:bb ，因此只能将该帧广播到所有端口。这就是路由器 router 也收到到这个包的原因，这种情况下其他主机 bee 和 cicada 也会收到。

注意到，路由器知道这个包不是发给自己的。关键字 P 表明，这是一个发往其他主机的帧，因网卡开启混杂模式而被嗅探到。路由器系统协议栈不会处理该包，因此也不会回复响应包。

回过头来执行 arp 命令查看主机 ant 上维护的本地网主机 IP 和 MAC 地址的映射表：

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root@ant [ ~ ]  ➜ arp -n
Address                  HWtype  HWaddress           Flags Mask            Iface
192.168.1.3              ether   e6:04:b1:10:f1:bb   C                     eth0

主机 ant 就是根据这个映射表，找到 192.168.1.3 对应的 MAC 地址，从而完成以太网帧的封装和发送的。至于这个映射表是如何获得的，同样先按下不表，等到介绍 ARP 协议时再揭晓。

最后，考察一下网际通信的场景。先进入路由器 router ，观察它的路由表：

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root@router [ ~ ]  ➜ ip route
192.168.1.0/24 dev eth1 proto kernel scope link src 192.168.1.1
192.168.2.0/24 dev eth2 proto kernel scope link src 192.168.2.1

router 只有两条直接路由，因为两个网络都与路由直接相连，它可以与图中任一台主机进行直接通信。

以主机 ant 向 主机 apple 发包为例，我们先在 router 和 apple 上执行 tcpdump 命令，观察网络流量：

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root@router [ ~ ]  ➜ tcpdump -eni any ip

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root@apple [ ~ ]  ➜ tcpdump -eni any ip

回到主机 ant ，执行 ping 命令向主机 apple 发送一个 IP 包，它的 IP 地址是 192.168.2.2 ：

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root@ant [ ~ ]  ➜ ping -c 1 192.168.2.2
PING 192.168.2.2 (192.168.2.2) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.2.2: icmp_seq=1 ttl=63 time=0.674 ms

--- 192.168.2.2 ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 0.674/0.674/0.674/0.000 ms

主机 ant 路由规则显示，去往 192.168.2.x 网段的 IP 包，需要先发给本地网上的 192.168.1.1 ，由它转发。ant 从自己的映射表中找到 192.168.1.1 的 MAC 地址，并封装以太网帧，将 IP 包作为帧数据发送出去。

这时，我们可以在路由上观察到这个 IP 包：

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root@router [ ~ ]  ➜ tcpdump -eni any ip
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on any, link-type LINUX_SLL (Linux cooked v1), capture size 262144 bytes
17:44:27.460433  In 1e:1f:84:08:d2:aa ethertype IPv4 (0x0800), length 100: 192.168.1.2 > 192.168.2.2: ICMP echo request, id 811, seq 1, length 64
17:44:27.460542 Out ee:21:30:4a:5a:02 ethertype IPv4 (0x0800), length 100: 192.168.1.2 > 192.168.2.2: ICMP echo request, id 811, seq 1, length 64
17:44:27.460714  In b6:f1:81:44:21:11 ethertype IPv4 (0x0800), length 100: 192.168.2.2 > 192.168.1.2: ICMP echo reply, id 811, seq 1, length 64
17:44:27.460730 Out fa:1c:b2:d0:b0:01 ethertype IPv4 (0x0800), length 100: 192.168.2.2 > 192.168.1.2: ICMP echo reply, id 811, seq 1, length 64

第一行显示的是 eth1 网卡收到 ant 发来的帧， In 表示入站。帧的源地址是 ant 的 MAC 地址，以太类型表明该帧承载着一个 IP 包。IP 包是从 192.168.1.2/ant 发到 192.168.2.2/apple 的。

路由器查询本地路由表，知道 IP 包的目的网段 192.168.2.x 是一个本地网，可以通过 eth2 网卡直接通信。查询本地的 IP/MAC 地址映射表后，路由器知道 192.168.2.2 的 MAC 地址 ee:21:30:4a:5a:02 。

正如第二行显示的那样，路由器可以将 IP 包封装在以太网帧中，通过 eth2 网卡发给主机 apple 。其中， Out 表示出站，帧的目的地是 ee:21:30:4a:5a:02/apple ，帧中承载的是 ant 发给 apple 的 IP 包。

同样可以观察到主机 apple 接到 IP 包后，回复一个响应包，细节就不再赘述了：

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root@apple [ ~ ]  ➜ tcpdump -eni any ip
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on any, link-type LINUX_SLL (Linux cooked v1), capture size 262144 bytes
17:44:27.460609  In ee:21:30:4a:5a:02 ethertype IPv4 (0x0800), length 100: 192.168.1.2 > 192.168.2.2: ICMP echo request, id 811, seq 1, length 64
17:44:27.460701 Out b6:f1:81:44:21:11 ethertype IPv4 (0x0800), length 100: 192.168.2.2 > 192.168.1.2: ICMP echo reply, id 811, seq 1, length 64

根据 apple 的路由规则，响应包同样被发给路由器，从 eth2 网卡进入，正如路由器观察到的第三行。路由器则接力将响应包从 eth1 网卡转发给主机 ant ，正如第四行。

FAQ

Linux系统如何获取下一跳网关（路由）的IP地址？

我们知道，一个 IP 包下一跳应该发给谁是系统路由表决定的。因此我们只需查询路由表，即可获取下一跳网关的地址。执行 route 命令即可查询系统当前路由表：

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$ route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         10.0.8.1        0.0.0.0         UG    100    0        0 eth0
10.0.8.0        0.0.0.0         255.255.252.0   U     0      0        0 eth0

这个例子中第 5 行是一条直接路由，本地直连网络可以通过网卡直接发给目的主机；第 4 行是一条默认路由，即发往其他 IP 地址的 IP 包，下一跳发给网关 10.0.8.1 。如果路由表比较复杂，配置了多个网卡，那么需要根据目的 IP 和网段，看匹配哪个网关。

执行 ip route 命令也可以查询系统当前的路由表，默认它会列出所有路由记录：

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$ ip route
default via 10.0.8.1 dev eth0 proto dhcp src 10.0.8.10 metric 100
10.0.8.0/22 dev eth0 proto kernel scope link src 10.0.8.10

想要直接查询去往某个目的地的路由记录，可以这样查询：

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$ ip route get 8.8.8.8
8.8.8.8 via 10.0.8.1 dev eth0 src 10.0.8.10 uid 1002
    cache

这次我们直接取出了决定目的地址 8.8.8.8 的路由记录，这表明发给 8.8.8.8 的 IP 包需要发给网关 10.0.8.1 。

【小菜学网络】系列文章首发于公众号【小菜学编程】，敬请关注：

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fasionchan 2021-01-05