网络之路由器工作原理

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网络

Q：网络是什么？
网络是实现在各终端设备进行通信的数据载体；终端应用通过网络实现了资源的共享。

网络三元素
OSI定义了网络的网络通信的三元组：

• 终端 ：包含PC Printer 手机 服务器 等。
• 中间系统：主要是网络设备路由器（Router），交换机（Switch）。
• 传输介质：包括有线线缆，双绞线，光纤 ，NIC网卡，无线接入点（AP）。

网络设备分类

一个网络中，网络设备可以分为两大类：

• A类：OSI 2层或2层以下的设备， 交换机（Switch），集线器（Hub）。
  • 2层设备属于傻瓜型设备，接上电，终端连接上设备接口就能通信。
  • 使用交换机(Switch)的接口，连接终端设备形成一个星型网络。
  • 使用集线器（Hub）的接口，连接终端设备形成一个总线型网络。
• B类：OSI 3层或3层以上的设备，路由器（Router），双层路由（MLS），防火墙（Firewall），PC。
  • 终端通过3层设备网络接口进行通信，除了通电，还得必须有一个全球唯一3层身份标识，就是IP地址。

IP地址初探

现在所使用的IP地址可以分为两类：

• IPV4地址
• IPV6地址

现在大多数设备上所使用的都是IPV4地址。IPV6是面向未来网络所使用IP地址。

IPV4地址

IPV4地址，4个十进制数采用点分十进制表示法，表示一个网络地址，X.X.X.X，每一个X占8bit，一共占32bit, 例如192.168.0.1

32bit位分为高位和低位：

• 高位表示网络位 192.168.0
• 低位表示主机位 1

在同一个网络中，所有主机的IP地址，网络位是相同的。

子网掩码：表示计算机网络中的高多少位表示网络位，低多少位表示主机位。

网关：一个网络的出口。

网关

一个网络中的所有终端设备，可以做网络内的通信，但是往往只做网络内的通信是不够的，还要进行网络间通信；比如去访问Google，baidu，是在访问其他网络的服务器，你的PC肯定没和Google，baidu的服务器在同一个网络中。要访问Google，baidu，得把先数据发出本地网络，这个网络数据的出口就是一个网关。

网关（Gateway）： 一个网络的出口，该网络的出口节点，就是本网络的网关。

早期网关就是指路由器（Router），路由器（Router）的每个接口都可以分配一个网络。
路由器（Router）连接一个网络的接口，就是该网络内所有节点的出口。该网络内任意主机想要访问其他网络，都必须先把数据发给路由器（Router），然后路由器（Router）查表转发到其他网络。

PC1网络配置如下：

• IP地址：10.1.1.1
• 子网掩码：255.255.255.0
• 网关：10.1.1.254

子网掩码上全为1的位表示网络位，全为0的位表示主机位。
对于PC1来说高24位表示网络位，低8位表示主机位。

255转成二进制是11111111。

PC1所在网络可用的IP地址

• 网段中包含的IP地址范围：10.1.1.0 - 10.1.1.255 。
• 第一个IP地址10.1.1.0表示网络号，最后一个IP地址10.1.1.255表示广播号，不能分配给主机作为IP地址使用。
• 可用的IP地址范围是 10.1.1.1 - 10.1.1.254。

网络号：10.1.1.0 主机位全为 0 的IPV4地址表示网络号。用来标识这个网络本身。
广播号：10.1.1.255 主机位全为 1 的IPV4地址表示广播号。用来标识这个网络内的所有节点。

在IPV4中一般会把网段中最后一个可用地址，也就是10.1.1.254作为网关地址。

网关检测工具PING

PING 命令可以检测节点之间的3层往返连通性。如果节点的3层连接可以PING通，则说明网络通信没没问题，如果有问题可能是应用程序的问题。
界定一个网络问题是系统工程师，还是网络工程师去解决的最好的方法就是PING，PING一下如果能通网络工程师就可以甩锅了。

PCA PING PCB

1. PCA 发送Echo Request 回声请求
2. PCB 应答Echo Reply 回声应答

PING 请求是以数据帧Frame的形式发送的，格式类似于这样"Ethernet2|IPV4|ICMP|FCS" 。使用的协议是ICMP。

ping 192.168.1.1
正在 Ping 192.168.1.1 具有 32 字节的数据:
来自 192.168.1.1 的回复: 字节=32 时间=11ms TTL=64
来自 192.168.1.1 的回复: 字节=32 时间=1ms TTL=64
来自 192.168.1.1 的回复: 字节=32 时间=3ms TTL=64
来自 192.168.1.1 的回复: 字节=32 时间=1ms TTL=64
192.168.1.1 的 Ping 统计信息:
数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
最短 = 1ms，最长 = 11ms，平均 = 4ms

网络通信的前提

组建一个网络，不是有交换机，路由器，连接上PC，这个网络就能通信，想要网络通的话，还得有两个前提条件：

1. 需要给这个网络上的所有节点，分配IP地址。
2. 而且还得保证所有节点的IP地址不能冲突；并且在同一网络内，所有节点IP地址的网络位必须相同，主机位要彼此不同。

路由器(Router)的职责

在组网的时候，一般不会把路由器（Router）,作为接入设备。原因是什么呢?

1. 路由器（Router）接口真的是很少。相比集线器，交换机，接口密度非常低。
2. 路由器（Router）的每一个接口，都是一个节点，只连线是不能通的，必须配置IP地址。
3. 路由器（Router）的每个接口都要分割一个网络，直接拿路由器接口来连接计算机入网的话，那每台PC都属于一个独立的网络。两台PC不在同一个网络，那有些需要在同一个网络内通信的应用就没有办法正常工作了。
4. 如果将Router作为接入设备部署，还会导致大量数据IP浪费。

正是基于以上原因，路由器一般不做接入设备，只负责网络间通信，互联多个网络；作为网络间中心设备负责数据转发。

路由器(Router)转发数据

路由器（Router）收到一个数据包，发现是发送给网络内的某个设备的，那么路由器（Router）就会直接丢弃数据包，不做转发。路由器（Router）只关心网络间的数据通信，只会做网络间的数据转发。

路由器（Router）既然负责网络间的数据转发，肯定得知道数据要发给谁对吧。知道要发给谁之后，再根据接收者所在网络路径信息，沿着这个自由路径，把数据发走，这样端到端的通信就可以通。那么问题来了。

Q：路由器收到一个数据，怎样才能确定将数据发送到那个网络的那台主机呢？

两个网络中的主机进行通信，主机发送的数据包含两组源目地址信息：

• 源目MAC地址
• 源目IP地址

为什么通信需要两种地址标识呢？它们又有什么区别呢？

MAC和IP都是主机身份标识。作用却不一样。

MAC和IP本质区别：

• MAC地址： MAC地址作为一个2层地址，唯一作用就是通过MAC地址，在网络内区别不同节点；不能标识一个节点属于那个网络。它是一个静态地址，终身不会改变，网卡出厂的时候被烧录在只读存储器里面的地址。
• IP地址：IP地址作为一个三层地址，不仅能在一个网络内来彼此区分节点，而且还能在整个Internet互联网上标识一个节点；告诉因特网上的其他节点，我在那个网络中。它是一个动态地址，是在组网的时候动态分配的，是可以被重新分配的地址

知道了MAC和IP的作用，那么路由器收到数据帧以后，到底是根据那种地址，来确定数据发给谁的呢？

一个节点通过一根网线连接到一个以太网，接口标识符，既有 IP地址，又有MAC地址。

PC1和PC2进行网络内通信，数据帧头包含2层源目MAC地址，3层源目IP地址。

• 源IP地址：PC1的IP地址。
• 目的IP地址：PC2的IP地址。
• 源MAC地址：PC1的MAC地址。
• 目的MAC地址：PC2的MAC地址。

很好理解，那么PC2和PC3进行网络间通信，数据帧头目的MAC地址是PC3的MAC地址吗？

在两个网络中，A网络中的PC2的MAC地址，对于B网络中PC3的MAC地址完全没有意义。暂且不说PC2向PC3发送消息，源目MAC地址到底是什么。最起码要有一个概念：PC2想要在网络A中发送数据，不管你想要把数据发给谁，源目MAC都应该是A网络内的某个节点地址。

无论是网络间通信，还是网络内通信。源目IP标识的都是通信双方，但是源目MAC永远都只能使用该网络内的节点地址。

PC2和PC3各属不同网络，因此PC2发送数据到PC3目的MAC地址肯定不是PC3的MAC地址。

Q: 路由器（Router）收到数据帧以后，到底是根据目的IP，还是目的MAC，来确定数据包的最终去向?

根据以上的分析，显然是IP地址

二层以太网协议规定，网络中的任何节点，使用任何应用，产生任何数据，不管是什么内容，如果想发送数据，就必须添加一个2层帧头和帧尾，进行数据封装。

任何一个网络节点，不管是PC还是路由器（Router），收到一个数据帧后，只有确定这个数据帧是要发给自己的时候，才有权利解封装，拿到3层IP数据报。这个节点什么情况下才能确定收到的数据帧是自己的呢？

很简单，看以太网（Ethernet）帧头的目的MAC地址。如果这个目的MAC就是接收端接口MAC地址，那么这个数据就是发给我主机这个接口的，没必要再看帧头帧尾了，把帧头帧尾去掉，拿到3层IP数据报。
如果目的MAC和接收端接口的MAC地址不符，说明数据不是发给我的，不能数据解封装，也就拿不到数据3层地址，无法做数据转发了（臣妾做不到啊）。

路由器数据转发规则

路由器（Router）作为网关，只有它接收到一个发给自己的数据的时候，才有能力转发。也就是说路由器接收到一个数据帧，只有这个数据帧目的MAC地址，是接收端接口的MAC地址时，才先假定这个数据帧是发给自己的，去掉帧头帧尾，拿到3层报头，查看目的IP地址。发现这个帧其实不是发给我的，是发给网络B内的主机C的；去往网络B的路径我知不知道？如果知道就沿着去往网络B的最优路径信息，去做数据转发。这就是在网络间通信的规则。

Q：PC2真要拿PC3的MAC地址作为目的MAC地址去做数据封装，和PC3通信，能直接通信吗？
答案肯定是不可以的，为什么呢？

1. PC2给PC3发送数据。
2. PC2发送的数据帧到达Switch1，Switch1并不知道PC3的MAC地址，所以要进行数据泛洪。
3. 路由器（Router）接收到泛洪消息，发现数据帧目的MAC地址，并不是自己的网络接入接口的MAC地址，就会丢弃。

经过以上流程，PC3永远也接收不到数据。为什么MAC地址被称为一个网络内的有效地址就是因为这个。

Q：那么PC2想要访问网络2的某个节点，该拿谁的MAC地址作为，目的MAC地址呢？

答案是应该拿网关的MAC地址，作为目的MAC地址。

端到端的数据通信规则

• 如果是网络内通信，源目2层地址和源目3层地址标识的都是通信双方。
• 如果是网络间的通信，源目3层地址标识通信双方，源目2层地址是每跨越一层网关设备，原目MAC地址都会改变。

一台主机从A网络向B网络的主机发送数据，都不能将对方的MAC地址，作为目的MAC地址封装装数据。
数据帧每跨越一个网络，其2层帧头的2层源目MAC地址都会改变，3层报头的源目3层IP地址维持端到端一致性。

PC为什么要指网关啊？

PC指网关的目的就是，当PC在网络间通信的时候，需要通过网关这个IP，找个网关对应的MAC地址。拿到网关的MAC地址之后，就可以使用网关的MAC地址作为目的MAC地址来封装数据，PC发出数据帧，总会被网关收到，并且会被网关误以为数据帧是发给它自己的，网关把2层数据帧头帧尾去掉，就能拿到3层目的IP地址。之所以让路由器（Router）看到IP，就是想让它知道，这个数据包的真实去向，它会去查询一张叫路由表的表，来做一次网络间精确数据转发。

Q：那么PC是怎样知道网关的MAC地址的呢？
答案是通过ARP地址解析协议。

ARP地址解析过程：

1. PC通过网关的IP地址10.1.1.254，向网关发送一个ARP请求。
2. 网关（Gateway）收到这个请求后会把网关的MAC地址返回。
3. PC拿到网关MAC地址以后就把他存在本地的ARP表中。

PC再将网关的MAC地址作为目的MAC地址进行封装数据，发送给网关，网关再做进一步的数据转发。

网内通信VS网间通信

做网络间通信的时候，需要网关做数据的转发。目的主机在哪里，不知道，目的主机离你有多少跳也不知道。终端主机只知道本地网络的出口是网关路由器(Router)的3层IP地址。

那么问题来了主机只知道网关IP地址，怎么确定PC1和PC4两台主机进行数据通信，是网络内通信呢，还是网络间通信？

这时候子网掩码的作用就尤为突出了，方法很简单。

• 用PC1的IP地址和子网掩码，做逻辑与运算，网络位不变，主机位全部置0。
• 再用PC4的IP和PC1的子网掩码做逻辑与运算。
• 两个结果如果一致，就说明两台主机在同一个网络，不一致则两台主机分属不同的网络。

例如
PC1 IP：10.1.1.1
PC4 IP：20.1.1.1
PC1 子网掩码：255.255.255.0
PC1和PC1的子网掩码与运算的结果：10.1.1.0 正好是网络号
PC2和PC1的子网掩码与运算的结果：20.1.1.0
两个结果不一致，说明PC1和PC4没有在同一个网络。

这就是为什么我们在配置IP的时候也要配一个子网掩码，配子网掩码的目的就是让你的计算机在和其他终端通信的时候，来确定两台机器是否在同一个网络,

路由器的控制层面

什么是路由器控制层面？
简单一句话路由器如何获取去往目的网络的路径信息。如何在路由表中，产生一条去往目的网络的路由条目。

路由：去往一个目的网络的路径，

路由器（Router）为了做网络间的转发，必须靠一张路由表，来记录每一个网络在哪里。
每台路由器针对IPV4的单播流量，必须要有路由表，被称之主动路由表，路由表中每一个路由表项都指向一个目的网络，路由器通过该表项，就能找到去往该目的网络的路径地址。

路由表（TCAM） VS Hub CAM表

• 路由表（TCAM）相较于交换机（Hub ）的CAM表更加重要。
• 交换机每次我收到一个数据帧的时候，都会根据目的MAC地址，来查看CAM表，来确定一个路径转发信息；交换机能不能找到MAC地址表项，都不影响它进行数据转发，找到了进行精确数据转发，找不到进行泛洪转发。
• 路由器（Router）是做的网络间转发，路由表中必须得有路由条目才能转发，没有路由条目，就不能转发数据，直接丢包，是不可能进行泛洪转发的。

网络间有多大？
整个因特网有多大，它就有多大，它不像交换机，只做网络内的转发，一个网络内主机数量二三百台也就上限了，就算以泛洪的方式来转发数据，充其量也只能影响到一个网络内的所有节点，影响有限。但是路由器不行，一个路由器收到一个数据帧，一看目的IP不知道去往哪。没有去往该网络的路径信息，这个时候你想效仿交换机进行泛洪转发，是不可能的，因为如果路由器进行泛洪转发，影响的是整个因特网。

在局域网里，三层转发设备拥有内网的IP路由表，同时还拥有一条神奇的路由 0.0.0.0/0。三层转发设备如果没有查询到更匹配的路由，将会使用0.0.0.0/0这条路由。这条路由将把IP报文导流到Internet上。在通向Internet的接入网，三层转发设备也是同样的处理。如果没有查询到更匹配的路由，也会使用0.0.0.0/0这条路由，并将流量导流给上一级网关设备。流量经过层层导流，最终到达了核心网，核心网路由器是Internet上唯一不需要0.0.0.0/0路由的三层转发设备。它们拥有全球合法的、几乎所有的路由表，核心路由器查询路由表，应该都可以匹配到，然后转发出去。
路由中有一个非常独立的控制体系，得先让这个体系运行完毕，再得基于这个体系，获取相应的路由之后，才能完成数据转发。
路由器是先有控制层面，再有数据层面。先有控制层面，才会知道一个一个网络怎么走，知道网络怎么走之后，再基于数据层面，接收数据，查读路由表，来进行数据转发。

路由的两种分类：

直连路由：路由器直接连接，一个直连网络，如图R1，这种路由就被称之为直连路由。

直连网络:
所谓直连网络，就是路由器有一个接口直接始于该网络。

直连路由，只要满足两个条件，路由器路由表就可以自动学习。

• 路由器连接该网络的接口要拥有IP地址和子网掩码。
• 该路由器连接该网络的接口状态是upup。

非直连路由：路由器直连是一个非直连网络，如图R2，这种路由就被称之为非直连路由。

非直连路由，添加路由器路由表方式：

• 静态路由，当路由个数多的时候，人工手动配置费时费力。
• 通过动态路由协议，相邻的几个路由可以相互同步共享路由表项，

路由器的数据层面

路由器（Router）收到一个数据帧，先检查帧头的目的MAC地址，是不是自己接口的MAC地址，如果是我的数据，去掉帧头帧尾，露出3层报头，检查目的IP。

Q：IP地址通常指向一个网络的主机地址，而路由器路由表的条目是指向的一个一个的网络。那么用什么来标识一个网络呢？

答案是网络号，也就说路由条目的IP地址都是一个网络号；网络号虽然都是一个IP地址，但是主机位都为0 。

路由器怎样确定目的IP所指向的网络号呢？

1. 路由器（Router）拿数据报的目的IP地址，和路由条目的子网掩码，逐一去做逻辑与运算。
2. 得到的结果，再和此路由条目中网络号去做对比，如果一致，就代表命中，没命中接着匹配。

使用的最长匹配原则，属于模糊匹配 ，别小看这个匹配过程，会导致路由器转发数据的效率明显低于交换机。因此端到端连接尽量用交换机少用路由器。

交换机在转发数据的时候也是基于源目MAC地址查表，但是因为数据帧的源目地址是一个MAC，CAM表项里也是MAC地址，所以不会进行模糊匹配，精确匹配。

结语

• 在网络间通信中，路由器（Router）扮演的就是一个中间人的角色。
• 所谓的网关，就是路由器的一个接口连接一个网络；网络内的主机想要进行网间通信的出口。
• 路由器只做网络间转发，使用IP地址，来确定这个数据帧到底是要去到那个网络。

路由器要查看IP的前提是要去掉帧头帧尾；去掉帧头帧尾的前提是这个数据是发给我自己的；确定数据帧是不是发给自己的前提，是收到数据帧的目的2层地址，必须是路由器接收接口的MAC地址，这就是计算机为什么要指网关，指网关的目的是要获取到网关的MAC地址。

当路由器判断出和我通信的主机跟我不在一个网络的时候，我能通过网关的MAC地址， 来封装数据，让网关做一个网络间的网络转发协助。

为什么计算机要有IP地址，还要有子网掩码，子网掩码能描述我们的IP地址，高多少位是网络位，低多少位是主机位；通过子网掩码跟目的主机的IP做与运算，就能得知目的主机和我在不在同一个网络。

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