路由器

：Router ，一种网络设备，能跨局域网转发数据包。

• OSI 层级：工作在网络层。

功能

• 路由选择

  • 路由器具有多个端口，每个端口可以连接一个网络或主机。
  • 路由器从一个端口收到数据包时，会查询路由表，从而决定将该数据包，转发到哪个端口。
  • 交换机的基本功能，也是决定将数据包转发到哪个端口。但交换机不能发现多个局域网之间的路由关系，因此不能跨局域网转发数据包，而路由器能。

• 分组转发

  • 路由器工作在网络层，而网络层通常采用 IP 协议。因此路由器转发的数据格式，通常是 IP 分组，又称为 IP 数据包。
  • 有两种转发方式：
    • 直接转发
      • ：如果目标主机接入了当前路由器，则可以将数据包发送到目标端口，直接交给目标主机。
    • 间接转发
      • ：如果目标主机接入了其它路由器，则可以将数据包发送到其它路由器所处的端口，由其它路由器转发给目标主机。
      • 此时，需要将 IP 数据包封装成以太网帧再转发。在以太网帧中，源 Mac 地址填写的是当前路由器的 Mac 地址，目标 Mac 地址填写的是下一跳路由器的 Mac 地址。
      • 因此，IP 数据包每经过一个路由器转发，源 IP 地址、目标 IP 地址不变，但源 Mac 地址、目标 Mac 地址变化。

• 访问控制列表（Access Control List，ACL）

  • 用户可以给路由器添加 ACL 规则，从而不转发某些 IP 地址的数据包。效果相当于 Linux 防火墙的过滤功能。

路由表

• 路由表中，记录了多行路由规则。每行路由规则，包含几列信息：

  • 目标 IP 地址
  • 目标 IP 地址对应的端口号
    • 意思是，将数据包转发到该端口时，是属于最优路由。
  • 下一跳路由器的 IP 地址
  • 缺省路由
    • 缺省路由是一条特殊的静态路由，指向当前路由器的缺省网关。
    • 如果当前路由表中，找不到某个数据包的路由，则将该数据包转发给缺省网关，由它选择路由。
    • 缺省路由的 IP 地址和子网掩码都填写为 0 ，用 IPv4 地址表示是 0/0 ，用 IPv6 地址表示是::/0 。

• 路由规则的分类：

  • 静态路由
    • ：由用户手动设置。
  • 动态路由
    • ：由路由器自动建立和维护。
    • 静态路由的优先级更高。当动态路由与静态路由冲突时，路由器会优先采用静态路由。

路由算法

• 路由器会根据路由算法（routing algorithm），自动建立和维护路由表。

• 路由算法有很多种，主要分为几大类：

  • 静态路由算法
    • ：采用固定的路由规则。
    • 优点：路由器的开销小，不需要经常执行路由算法。
    • 缺点：灵活性差，不能适应网络的变化。
  • 动态路由算法
    • ：又称为自适应路由算法，能根据网络拓扑结构、拥塞程度的变化，自动改变路由规则。
    • 优点：灵活性好，能适应网络的变化，及时优化路由。
    • 缺点：路由器的开销大。
  • 混合路由算法
    • ：组合使用静态路由算法、动态路由算法。

• 例：

  • 一个网络只包含几台主机时，用户可以手动配置静态路由规则。
  • 一个网络包含几十台主机时，用户手动配置挺麻烦，可以使用静态路由算法，自动生成路由规则。
  • 一个网络中某些线路中断时，之前决定的静态路由，可能不再是最优路由，甚至不再是可以连通的路由。此时，应该使用动态路由算法。

• 假设一个网络包含几万台主机，从主机 A 到达主机 D 有多条可以连通的路径：

  • 主机 A 发送数据包 -> 主机 B 转发 -> 主机 C 转发 -> 主机 D 接收数据包
  • 主机 A 发送数据包 -> 主机 E 转发 -> 主机 D 接收数据包 如何判断哪条路径是最优的？通常考虑以下指标：
  • 距离越小越好
    • 这里的距离不是指地理距离，而是指经过的路由器跳数。
    • 跳数最小为 0 ，表示当前路由器可以直接发送数据包到目标主机，不需要经过其它路由器转发。
  • 带宽越大越好
  • 延迟越低越好

静态路由算法

• 泛洪（flood routing）

  • 假设路由器从某个端口收到一个数据包，目标 IP 地址为 10.0.0.1 ，但路由器不知道到达 10.0.0.1 的路由，则可以这样操作：
    • 路由器向除了源端口以外的所有端口，广播这个数据包，目标 IP 地址都是 10.0.0.1 。
    • 只要当前路由器与 10.0.0.1 在物理线路上是连通的，数据包最终一定会被传输到 10.0.0.1 。
    • 哪个端口最先收到回复，则说明该端口距离目标 IP 最近，是最佳路由。
  • 优点：
    • 不需要了解网络状态，在生成路由表之前，就可以将数据包传输到目标主机。
    • 能直接测试出最佳路由。而其它算法，大多是找出理论上的最佳路由，实际效果可能并不好。
  • 缺点：
    • 一个数据包，可能通过不同路径，重复多次被传输到目标主机，需要目标主机能识别重复的数据包。
    • 广播数据包，会造成很大网络负载。
    • 如果多个路由器都采用泛洪算法，则可能出现网络环路。因此建议给数据包设置 TTL ，最多经过多少跳路由器。

• 随机走动法（random walk）

  • 路由器收到一个数据包时，随机转发给一个相邻的路由器。
  • 缺点：
    • 不能找出最佳路由。数据包可能沿着较差的路径，到达目标主机。甚至不会到达目标主机。

• 最短路径法（shortest path）

  • 让路由器事先知道，整个网络的拓扑结构图。
    • 每个节点表示一个路由器。
    • 节点之间的边，表示路由器之间的物理线路。
    • 任意两个节点之间，可能存在多条可以连通的路径。计算出其中最短的那条路径（经过的跳数最少），作为最优路由。
  • 优点：
    • 理论上能找到最优路由。
  • 缺点：
    • 需要让路由器事先知道整个网络的拓扑结构图。
    • 当网络的拓扑结构变化时，需要重新生成路由表。

动态路由算法

• 距离矢量算法（Distance Vector）

  • 每个路由器，会记录自己与其它各个路由器的距离。
    • 记录成矢量格式，例如 (5, RouterA) 表示经过 5 跳之后可到达路由器 A 。
  • 每个路由器，会将自己的各个距离矢量，通告给相邻的路由器。
    • 然后相邻的路由器，会将自己的各个距离矢量，通告给更远的路由器。
    • 以此类推，最终所有路由器都会知道，自己距离其它各个路由器的距离。因此可以找出从该路由器，到达其它各个路由器的最短路径，从而生成自己的路由表。
    • 换句话说，每个路由器会将它的路由表，给其它路由器看。使得其它路由器可以参考它的路由表，生成自己的路由表。
  • 优点：
    • 算法简单。
  • 缺点：
    • 收敛速度慢。当某个路由器通告新的距离矢量时，相邻的路由器需要重新计算自己的距离矢量，然后才通告给其它路由器。需要经过一段时间，才能让所有路由器知道该变化。
    • 可能出现网络环路。

• 链路状态算法（Link State）

  • 每个路由器，会记录当前路由器的 ID 、与自己相邻的各个路由器 ID 。
    • 这些信息称为 LSA（Link State Advertisement，链路状态通告）。
  • 每个路由器，会将自己的 LSA ，通告给相邻的路由器。
    • 然后相邻的路由器，会将自己的 LSA ，通告给更远的路由器。
    • 以此类推，最终所有路由器都会知道，整个网络的拓扑结构。因此可以找出从该路由器，到达其它各个路由器的最短路径，从而生成自己的路由表。
  • 优点：
    • 收敛速度快。当某个路由器通告新的 LSA 时，相邻的路由器会立即将新的 LSA 通告给其它路由器，然后才更新自己的路由表。

路由协议

• 假设用户搭建了多个局域网，每个局域网存在一个路由器，然后将这些路由器相互连通。

  • 此时，这些局域网在物理线路上是连通的，但并不能从一个局域网的主机 IP ，访问另一个局域网的主机 IP 。
  • 因为，每个路由器，只了解本地网络的的情况，不了解其它网络的情况。比如其它网络有哪些主机 IP 地址、其它网络的路由规则是什么。
  • 为了解决该问题，需要让各个路由器，相互通告路由信息。
  • 如何通告？人们制定了多种路由协议，又称为网关协议。

• 自治系统（Autonomous system ，AS）

  • ：指由某个组织管理的某个网络，可能是一个局域网，也可能是多个局域网组合而成。
  • 一个 AS 包含一些主机，每个主机绑定一个 IP 地址。
    • 每个 AS 中，选取一个或多个主机，担任网关路由器，作为与其它 AS 网络通信的关口。
  • 因特网，由全球各地的 AS 网络组合而成。比如每个国家是一个独立的 AS 。
    • 每个 AS 拥有一个数字编号，称为 ASN 。取值范围 1~64511 供因特网使用，取值范围 64512~65535 供私网使用。
    • 例如中国电信的 China163 骨干网的 ASN 为 AS4134 。

• 根据影响范围的不同，可将路由协议分为两类：

  • 内部路由协议：在同一个 AS 内，不同路由器之间，通告路由信息。又称为内部网关协议（Interior Gateway Protocol ，IGP）。
  • 外部路由协议：在不同 AS 之间，通告路由信息。从而生成从一个 AS 到另一个 AS 的路由表。

内部路由协议

• RIP（Routing Information Protocol，路由信息协议）

  • 属于应用层协议，在传输层采用 UDP 协议进行通信，默认采用 UDP 520 端口。
  • 选择最优路径时，只考虑跳数这一个指标。
  • 为了避免网络环路，每条路由，最多允许 15 跳。
  • 每隔 30 秒广播一次路由信息，因此容易突然出现大量网络流量。

• IGRP（Interior Gateway Routing Protocol，内部网关路由协议）

  • 专用于 Cisco 公司生产的路由器。
  • 研发 IGRP 协议的初衷，是因为 RIP 协议不擅长大型网络。
    • IGRP 最多支持 255 跳。
    • 选择最优路径时，考虑多个指标：跳数、带宽、延迟等
  • 后来，Cisco 公司又研发了增强版协议 EIGRP ，取代了 IGRP 。

• OSPF（Open Shortest Path First，开放最短路径优先协议）

  • 属于网络层协议。将数据封装在 IP 数据包中传输，采用的 IP 协议号为 89 。
  • 每个路由器，将自己的 LSA（链路状态通告），发送给其它路由器。
  • RIP、IGRP、EIGRP、BGP 采用距离矢量算法，而 OSPF、ISIS 采用链路状态算法。

• ISIS（Intermediate System to Intermediate System，中间系统到中间系统）

外部路由协议

• EGP（Exterior Gateway Protocol ，外部网关协议）

  • ：于 1980 年代，研发的一种路由协议。用于在不同 AS 之间，通告路由信息。
  • 1990 年代，EGP 协议被 BGP 协议取代。

• BGP（Border Gateway Protocol ，边界网关协议）

  • 属于应用层协议，在传输层采用 TCP 协议进行通信，默认采用 TCP 179 端口。
  • BGP 最初用作内部路由协议，此时称为 eBGP 。
  • BGP 也可用作内部路由协议，此时称为 iBGP 。
  • 例：
    • 一些大型公司，会在多个城市搭建多个机房，用一条专线连通它们的内网，并通过 BGP 协议通告路由。
    • 腾讯云提供的某些 VPS 机房只有电信线路，被联通用户访问时，网速慢。而 BGP 机房融合了电信、联调、移动线路，会根据用户的来源网络，自动选择网速最好的路由进行回复，还能准备几条冗余线路。

相关概念

网关

：Gateway ，泛指两个网络相连的关口，可能是路由器等设备。

• 假设存在两个局域网 A、B ，不能相互通信。
  • 如果安装一个路由器，同时接入局域网 A、B ，则能连通两个局域网。
  • 此时从一个局域网传输到另一个局域网的数据包，都要经过该路由器，因此可以将该路由器称为网关。

VRRP

• VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虚拟路由冗余协议）
  • ：一个网络协议，用于在多个路由器之中选出主节点。
  • 一个子网中，如果只存在一个路由器，则该路由器故障时，会导致当前子网所有主机，不能跨子网通信。
  • 为了避免避免路由器的单点故障，可以运行多个路由器，实现冗余。这些路由器之间，通过 VRRP 协议进行通信。
• 原理：
  • 在一个子网内，部署多个路由器，相互之间通过 VRRP 协议通信。
    • VRRP 会自动选举出一个当前可用的路由器，担任主节点，其它路由器担任备用节点。
    • VRRP 协议只是选举，并不会通告、修改路由表。
  • VRRP 中存在一个虚拟路由器，绑定一个 Virtual IP ，简称为 VIP 。
    • 需要修改当前子网所有主机的配置，将默认网关配置为 VIP 。这样就会由虚拟路由器，管理当前子网的所有流量。
  • 虚拟路由器如何工作？
    • 实际上，由主节点实现虚拟路由器的职责。
    • 主节点会广播 ARP 包，告诉所有主机，将 VIP 解析到主节点的 Mac 地址。因此任一主机向 VIP 发送数据包时，会到达主节点。
    • ARP 包只会在当前子网传播，因此 VRRP 只能在单个子网内生效。

Anycast

• 网络中的主机，大部分采用单播地址（unicast）。使得发向某个 IP 的数据包，最终只会被一个主机接收。
• 任播（Anycast）是 1990 年代发明的一个路由技术，使得发向某个 IP 的数据包，允许被路由到多个主机的其中之一。
• 原理：
  • 让多个服务器主机（通常位于不同地域的不同机房），共用同一个 IP 地址，供客户端访问。
  • 当客户端向该 IP 发送数据包时，会被路由器路由到最近的那个服务器。
  • 如何路由？
    • 通常是根据 BGP 协议，计算本地到各个服务器的距离矢量，找出最近的那个服务器。
    • 当某个地域的服务器故障时，客户端访问服务器 IP ，会被路由到其它地域的服务器。这样能实现异地容灾，只是网络延迟变大、其它服务器的负载变大。
    • 一些公有云平台提供的 IP Anycast 服务，还会让网络流量走优质的公网线路，而不是经常拥堵的公网线路。