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网络协议之路由协议的详细介绍(示例讲解)

时间:2021-07-01 10:21:17 帮助过:116人阅读

本篇文章给大家带来的内容是关于网络协议之路由协议的详细介绍(示例讲解),有一定的参考价值,有需要的朋友可以参考一下,希望对你有所帮助。

前面例子中,我们都是在一个局域网内折腾。今天就让我们扩大范围,在多个局域网甚至到广阔的互联网世界中遨游,看看这中间会发生什么。

这个过程中,跨网关访问是我们要了解的第一个内容。

跨网关访问

当我们要了解跨网关访问时,就牵扯到 MAC 地址和 IP 地址的变化,因此,我们先来看下 MAC 头和 IP 头的细节。

MAC 头和IP 头的细节

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如图,在 MAC 头里,先是目标 MAC 地址,然后是源 MAC 地址,最后是协议类型。

在 IP 头里,最重要的就是源 IP 地址和目标 IP 地址。除此之外,还有版本号,也就是我们常说的 IPv4 和 IPv6、服务类型 TOS(表示数据包优先级)、TTL(数据包生存周期)以及标识协议(TCP 和 UDP)

当我们访问博客园时,经过的第一个网关应该就是我们配置的默认网关。当本机访问默认网关时,还是走局域网内部访问的步骤:

  1. 将源地址和目标 IP 地址放入 IP 头;

  2. 通过 ARP 协议获得网关的 MAC 地址;

  3. 将源 MAC 地址和网关的 MAC 地址放入 MAC 头中,发送给网关。

而我们的网关,一般就是指家里的路由器,是一个三层转发的设备。它会把 MAC 头和 IP 头都取下来,然后根据里面的内容,看看接下来把数据包转发到哪里。

很多情况下,人们把网关叫做路由器。其实并不准备,用这个比喻应该更为恰当些:

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 地址有着相同的网段,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,然后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。

注意,在上面这个过程中,有出现路由算法。接下来,我们就来认识下它。

路由算法

路由算法,又名选路算法,是提高路由协议功能,尽量减少路由时所带来的开销的算法。

路由算法可以根据多个特性来加以区分,找到到达目的地的最佳路由。

路由算法的区分点有很多,有

  • 静态与动态

  • 单路径与多路径

  • 平坦与分层

  • 主机智能与路由器智能

  • 域内与域间

  • 链接状态与距离向量

    这里主要介绍静态与动态路由算法。

静态路由

    静态路由算法,实质上是由网关配置好的映射表。

    我们家里的路由器,可能会有这样的路由配置

访问博客园,从 2 号口出去,下一跳是 IP2;
访问百度,从 3 号口出去,下一跳是 IP3。

    类似上述这样的规则就是静态路由,按照一定的语法保存在路由器里。

    每当要选择从哪个口抛出去的时候,就一条一条的匹配规则,找到符合的规则,就按规则办事,从指定口抛出去,找下一跳 IP。

过网关的“变”与“不变”

    之前我们了解到,MAC 地址是一个局域网内才有效的地址。因此,MAC 地址只要过网关,就肯定会改变。而 IP 地址在过网关后 ,就不一定会改变了。

    经过网关 A 后,如果IP 地址没有改变,那 A 就是转发网关,否则,就是NAT网关

转发网关

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    如上图,服务器 A 要访问服务器 B,要经过过程:

1)服务器 A 到 网关 A

  1. 检查 B 的网段,发现不在同一个网段,因此发给网关

  2. 由于网关的 IP 地址是已经配置好了,因此发送 ARP 获取网关的 MAC 地址

  3. 发送包

而最后发送包的内容主要有:

  • 源 MAC:服务器 A 的 MAC

  • 模板 MAC:192.168.1.1 网关的 MAC

  • 源 IP:192.168.1.101

  • 目标 IP:192.168.4.101

    数据包到达 192.168.1.1 这个网口后,网口发现 MAC 地址是它的,就将包收进来,然后开始“思考”往哪里转发。

    这时候,路由器 A 中配置了规则 A1:

要访问 192.168.4.0/24,就从 192.168.56.1 这个网口出去,下一跳是 192.168.56.2

2)网关 A 到 网关 B

    于是,路由器 A 匹配了 A1,要从 192.168.56.1 这个口发出去,发给 192.168.56.2。于是,又开始了这个过程:

  1. 检查 B 的网段,发现在同一个网段, ARP 获取 MAC 地址

  2. 发送包

数据包的内容是:

  • 源 MAC:192.168.56.1 的 MAC

  • 模板 MAC:192.168.56.2 的 MAC

  • 源 IP:192.168.1.101

  • 目标 IP:192.168.4.101

    数据包到达 192 .168.56.2 网口,网口发现 MAC 地址是它的,就将包收进来,然后去检查路由规则。

    路由器 B 配置以下规则 B1:

想访问 192.168.4.0/24,就从 192.168.4.1

    而路由器 B 发现,它的右网口就是目标地址网段的,因此就没有下一跳了。

3)网关 B 到 服务器 B

路由器 B 匹配上 B1。从 192.168.4.1 出口,发给 192.168.4.101。数据包内容:

  • 源 MAC:192.168.4.1 的 MAC

  • 模板 MAC:192.168.4.101 的 MAC

  • 源 IP:192.168.1.101

  • 目标 IP:192.168.4.101

    服务器 B 收到数据包,发现 MAC 地址是它的,就把包收进来。

    通过上面的过程可以看出,每到一个新的局域网, MAC 地址都是要变的,而 IP 地址则都不变。在 IP 头里面,不会保存任何网关的 IP 地址。

    而我们说的下一跳,就是某个 IP 要将这个 IP 地址转换为 MAC 放入 MAC 头

NAT 网关

    NAT 网关,也就是 Network Address Translation。

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    由于各个局域网都有各自的网段,很容易出现 IP 冲突的情况。如上图,美国服务器 A 的 IP 地址和 法国服务器 B 的 IP 地址都是 192.168.1.101/24,从 IP 上看,好像是自己访问自己,但实际上从美国的 192.168.1.101 访问法国的 192.168.1.101。

    如何解决这个问题呢?既然局域网之间没有商量好 IP 分配,各管各的,那到国际上,也就是中间的局域网里面,就需要使用另外的地址,就像出国后,我们要改用护照一样。

    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 190.168.56.2.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 的,网关都要转成 192.168.1.101。

    于是,源服务器 A 要访问目标服务器 B,目标地址就变成国际 IP 地址 192.168.56.2。过程如下:

1)源服务器 A 发数据包到网关 A

  1. 检查服务器 B IP,不在同一网段

  2. ARP 获取网关 MAC 地址

  3. 发送包

数据包的内容是这样的:

  • 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

    路由器 A 中 192.168.1.1 这个网口收到数据包后,检查 MAC 地址一致,将包收进来。

    在路由器 A 中配置了规则:

想访问 192.168.56.2/24,就从 192.168.56.1 网口发出去,发给 192.168.56.2,没有下一跳。

    由于路由器的右网口(192.168.56.1) IP 地址和目标 IP 地址在同一网段,因此没有下一跳。

2)网关 A 到网关 B
当网络包发送到中间的局域网时,服务器 A 也需要有个国际身份。因此,源 IP 地址 192.168.1.101 要改成 192.168.56.1,所以数据包的内容是:

  • 源 MAC:192.168.56.1 的 MAC

  • 目标 MAC:192.168.56.2 的 MAC

  • 源 IP:192.168.56.1

  • 目标 IP:192.168.56.2

    包到达 192.168.56.2 这个网口后,发现 MAC 一致,就将包收进来。

    而路由器 B 是 NAT 网关,它上面配置了,国际身份 192.168.56.2 对应国内的 192.168.1.101,于是目标地址改为 192.168.1.101。

    同样的,路由器 B 中配置了规则:

想访问 192.168.1.101,就从 192.168.1.1 网口出去,没有下一跳。

    于是,数据包就从 192.168.1.1 这个网口发给 192.168.1.101。

3)网关 B 到服务器 B
数据包从 192.168.1.1 网口发出后,同样经过这些步骤:

  1. 检查服务器 B 的 IP,在同一网段

  2. ARP 获取服务器 B 的 MAC 地址

  3. 发送包

这时的数据包就变成了:

  • 源 MAC:192.168.1.1 的 MAC

  • 目标 MAC:192.168.1.101 的 MAC

  • 源 IP:192.168.56.1

  • 目标 IP:192.168.1.101

    服务器收到包后,检查 MAC 地址一致,就将数据包收进来。

    从服务器 B 接收的数据包可以看出,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。

动态路由

动态路由算法
距离矢量路由算法

1)基本思路

基于Bellman-Ford 算法。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,从哪条线出去,另一个是到目标路由器的距离

2)存在问题

a. 好消息传得块,坏消息传的慢

新加入的路由器能够很快的新路由器信息广播出去。但是如果一个路由器挂了,挂的消息没有广播。每个经过这个宕机节点的路由器,无法得知该节点一宕机,而是试图通过其他的路径访问,直到试过了所有的路径,才发现这个路由器已经宕机了。

示例:

b. 每次发送消息,要发送整个全局路由表

    上面的两个问题,限制了距离矢量路由的网络规模,仅适用于小型网络(小于 15 跳)。

链路状态路由算法

1)基本思路

基于Dijkstra 算法。当一个路由器加入网络是,首先是发现邻居,给邻居说 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 2 就是距离。接着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。

    这种算法中,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,节省了宽带和 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)协议,广泛应用在数据中心的协议。由于主要用在数据中心内部,用于路由决策,因此称为内部网关协议(Interior Gateway Protocol,简称 IGP)

    内部网关协议的重点就是找到最短路径。当存在多个最短路径时,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

    等价路由不仅可以用来分摊流量,还可以提高容错率,当一条路径不通时,还可以通过另外一条路到达目的地。

基于距离矢量路由算法的 BGP

针对网络之间的路由协议,称为外网路由协议(Border Gateway Protocol,简称 BGP)

    每个数据中心都有自己的路由配置。例如,哪些外部 IP 可以让内部知晓,哪些内部 IP 可以让外部知晓,哪些可以通过,哪些不能通过。

    因此,在各个数据中心进行交互时,需要一种协议,通过这种协议,可以知道相邻数据中心的路由配置,从而找到数据中心之间最好的路由。

    BGP 协议就是这样的协议。它不着眼于发现和计算路由,而在于控制路由的传播和选择最好的路由。

总结

  • 数据包要离开本局域网,就要经过网关,网关就是路由器的一个网口;

  • 路由器是一个三层设备,理由有如何寻找下一跳的规则;

  • 经过路由器之后的 MAC 头肯定会变。如果 IP 不变,就是 转发网关,否则就是 NAT网关

  • 路由分静态路由和动态路由,动态路由可以配置复杂的策略路由,控制转发策略;

  • 动态路由主流算法有两种,距离矢量算法和链路状态算法。基于两种算法产生两种协议,BGP 协议和 OSPF 协议。

以上就是网络协议之路由协议的详细介绍(示例讲解)的详细内容,更多请关注Gxl网其它相关文章!

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