学习自极客时间《趣谈网络协议》 作者：刘超
4. 网关的实现
4.1 怎么样在宿舍上网
有两种方式:
有一台电脑需要两张网卡,一张网卡的线插到交换机上，另一张网卡的线插到校园网的网口。而且，这张新的网卡的 IP 地址要按照学校网管部门分配的配置，不然上不了网。这种情况下，如果你们宿舍的人要上网，就需要一直开着那台电脑。
买个家庭路由器,家庭路由器会有内网网口和外网网口。把外网网口的线插到校园网的网口上，将这个外网网口配置成和网管部的一样。内网网口连上所有的电脑。这种情况下，如果你有人要上网，就需要一直开着路由器。
其实家庭路由器和电脑的功能一样,只不过是嵌入式系统而已。
其他电脑要上网还需要配置网卡。当然 DHCP 是可以默认配置的。在进行网卡配置的时候，除了 IP 地址，还需要配置一个Gateway 的东西，这个就是网关。
4.2 MAC 头和 IP 头的细节
- 在 MAC 头里面，先是目标 MAC 地址，然后是源 MAC 地址，然后有一个协议类型，用来说明里面是 IP 协议。
- IP 头里面的版本号，目前主流的还是 IPv4，数据包是按照服务类型（Type of Service，TOS）被分配到三个波段（band）里面的。TOS 是 IP 头里面的一个字段，代表了当前的包是高优先级的，还是低优先级的。TTL 指生存时间,与ICMP有关。
- 另外，还有 8 位标识协议。这里到了下一层的协议，也就是，是 TCP 还是 UDP。最重要的就是源 IP 和目标 IP。先是源 IP 地址，然后是目标 IP 地址。在任何一台机器上，当要访问另一个 IP 地址的时候，都会先判断，这个目标 IP 地址，和当前机器的 IP 地址，是否在同一个网段。怎么判断同一个网段呢？需要 CIDR 和子网掩码。
如果是同一个网段，则直接通过ARP获取Mac地址，如果不同网段，就需要经过网关了。获取网关的Mac地址也是在局域网中吼，流程是一样的。
网关往往是一个路由器，是一个三层转发的设备。啥叫三层设备？就是把 MAC 头和 IP 头都取下来，然后根据里面的内容，看看接下来把包往哪里转发的设备。路由器是一台设备，它有多个网口或者网卡，分别连着多个局域网。每个网卡的 IP 地址都和局域网的 IP 地址相同的网段，就是那个局域网的网关。
4.3 静态路由
路由器可以分为静态路由和动态路由。
静态路由，其实就是在路由器上，配置一条一条规则。这些规则包括：想访问 BBS 站（它肯定有个网段），从 2 号口出去，下一跳是 IP2；想访问教学视频站（它也有个自己的网段），从 3 号口出去，下一跳是 IP3，然后保存在路由器里。
每当要选择从哪只手抛出去的时候，就一条一条的匹配规则，找到符合的规则，就按规则中设置的那样，从某个口抛出去，找下一跳 IPX。
4.4 IP 头和 MAC 头哪些变、哪些不变？
MAC 地址是一个局域网内才有效的地址。因而，MAC 地址只要过网关，就必定会改变，因为已经换了局域网。两者主要的区别在于 IP 地址是否改变。不改变 IP 地址的网关，我们称为转发网关；改变 IP 地址的网关，我们称为NAT 网关。
当各个局域网间网段有商量，即IP段没有冲突的时候，不同网段间用户的通讯，经过网关的时候，IP地址不会改变，改变的是Mac地址。
当局域网之间没有商量过，各定各的网段，因而 IP 段冲突了。不同网段间用户的通讯，经过网关的时候，需要将当前局域网内的IP地址转换成国际通用的IP地址，当到了最后一跳时，NAT网关再将国际IP地址转换成私网的IP地址，最终达到接收方。这里Mac地址也在不断变化的。从这个过程可以看出，IP 地址也会变。这个过程用英文说就是 Network Address Translation，简称 NAT。
4.5 总结
- 如果离开本局域网，就需要经过网关，网关是路由器的一个网口；
- 路由器是一个三层设备，里面有如何寻找下一跳的规则；
当在你家里要访问 163 网站的时候，你的包需要 NAT 成为公网 IP，返回的包又要 NAT 成你的私有 IP，返回包怎么知道这是你的请求呢？它怎么就这么智能的 NAT 成了你的 IP 而非别人的 IP 呢？
NAT在进行地址替换时不仅仅包含IP地址，还有端口号。具体说来就是，我们在进行连接外网服务器请求的数据包中，除了源、目的IP地址外，还有源、目的端口号。其中目的端口号是固定的，比如21或80等等。但源端口号是随机生成的。当数据包到达进行NAT的设备时，除了私有IP地址会被替换成公网IP地址外，端口号也会被替换成NAT随机生成的端口号。NAT的端口号和局域网中的主机一一对应，同时NAT设备维护一张端口号和主机对应的表。当外网服务器返回数据到NAT设备时，NAT设备通过返回数据包中的端口号找到局域网中的主机并将数据转发。
5. 路由协议
一张路由表中会有多条路由规则。每一条规则至少包含这三项信息。
- 目的网络：这个包想去哪儿？
- 出口设备：将包从哪个口扔出去？
- 下一跳网关：下一个路由器的地址。
5.1 动态路由算法
复杂的网络拓扑结构中,路由的路径就转化成为如何在途中找到最短路径的问题。
求最短路径常用的有两种方法，一种是 Bellman-Ford 算法，一种是 Dijkstra 算法。在计算机网络中基本也是用这两种方法计算的。
- 距离矢量路由算法
- 第一大类的算法称为距离矢量路由（distance vector routing）。它是基于 Bellman-Ford 算法的。
- 这种算法的基本思路是，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，从那条线出去，另一个是到目标路由器的距离。
由此可以看出，每个路由器都是知道全局信息的。那这个信息如何更新呢？每个路由器都知道自己和邻居之间的距离，每过几秒，每个路由器都将自己所知的到达所有的路由器的距离告知邻居，每个路由器也能从邻居那里得到相似的信息。每个路由器根据新收集的信息，计算和其他路由器的距离，比如自己的一个邻居距离目标路由器的距离是 M，而自己距离邻居是 x，则自己距离目标路由器是 x+M。
距离矢量路由算法存在的问题:
第一个问题就是好消息传得快，坏消息传得慢。 如果有个路由器加入了这个网络，它的邻居就能很快发现它，然后将消息广播出去。要不了多久，整个网络就都知道了。但是一旦一个路由器挂了，挂的消息是没有广播的。当每个路由器发现原来的道路到不了这个路由器的时候，感觉不到它已经挂了，而是试图通过其他的路径访问，直到试过了所有的路径，才发现这个路由器是真的挂了。
这种算法的第二个问题是，每次发送的时候，要发送整个全局路由表。
- 链路状态路由算法
- 第二大类算法是链路状态路由（link state routing），基于 Dijkstra 算法。
- 这种算法的基本思路是：当一个路由器启动的时候，首先是发现邻居，向邻居 say 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，除以二就是距离。然后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。这样每个路由器都能够收到它和邻居之间的关系的信息。因而，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，节省了带宽和 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。
5.2 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）就是这样一个基于链路状态路由协议，广泛应用在数据中心中的协议。由于主要用在数据中心内部，用于路由决策，因而称为内部网关协议（Interior Gateway Protocol，简称 IGP）。
- 内部网关协议的重点就是找到最短的路径。在一个组织内部，路径最短往往最优。当然有时候 OSPF 可以发现多个最短的路径，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。这一点非常重要。有了等价路由，到一个地方去可以有相同的两个路线，可以分摊流量，还可以当一条路不通的时候，走另外一条路。
- 基于距离矢量路由算法的 BGP
但是外网的路由协议，也即国家之间的，又有所不同。我们称为外网路由协议（Border Gateway Protocol，简称 BGP）。
对于网络包同样，每个数据中心都设置自己的 Policy。例如，哪些外部的 IP 可以让内部知晓，哪些内部的 IP 可以让外部知晓，哪些可以通过，哪些不能通过。
在网络世界，这一个个国家成为自治系统 AS（Autonomous System）。自治系统分几种类型。
- Stub AS：对外只有一个连接。这类 AS 不会传输其他 AS 的包。例如，个人或者小公司的网络。
- Multihomed AS：可能有多个连接连到其他的 AS，但是大多拒绝帮其他的 AS 传输包。例如一些大公司的网络。
- Transit AS：有多个连接连到其他的 AS，并且可以帮助其他的 AS 传输包。例如主干网。
BGP 又分为两类，eBGP 和 iBGP。自治系统间，边界路由器之间使用 eBGP 广播路由。内部网络也需要访问其他的自治系统。边界路由器如何将 BGP 学习到的路由导入到内部网络呢？就是通过运行 iBGP，使得内部的路由器能够找到到达外网目的地的最好的边界路由器。
BGP 协议使用的算法是路径矢量路由协议（path-vector protocol）。它是距离矢量路由协议的升级版。前面说了距离矢量路由协议的缺点。其中一个是收敛慢。在 BGP 里面，除了下一跳 hop 之外，还包括了自治系统 AS 的路径，从而可以避免坏消息传的慢的问题，也即上面所描述的，B 知道 C 原来能够到达 A，是因为通过自己，一旦自己都到达不了 A 了，就不用假设 C 还能到达 A 了。
- 路由信息协议(RIP)
- 路由信息协议是在一个AS系统中使用地内部路由选择协议，是个非常简单的基于距离向量路由选择的协议。 它路由器生产商之间使用的第一个开放标准，是最广泛的路由协议，在所有IP路由平台上都可以得到。当使用RIP时，一台Cisco路由器可以与其他厂商的路由器连接。
- 路由信息协议是内部网关协议IGP中最先得到使用的协议。RIP是一种分布式的基于距离矢量的路由选择协议，是因特网的标准协议，其最大优点就是实现简单，开销较小。
5.3 问题拓展
路由器之间信息的交换使用什么协议呢？
- OSPF基于IP协议，端口号为89
原因：ospf自身提供主从协商机制，可以保证可靠的传输，另外全网路由器保持着同样的一个lsdb，当拓扑发生变化时，需要携带的变更信息较少，通过IP协议即可完成 - RIP协议采用UDP是因为，rip每周期需全网组播路由信息，路由信息数目较大，故使用UDP协议可提高效率
- BGP为边界网关协议，因携带的路由信息较多，且可能跨不同网络传送路由信息，为保证可靠性，需使用TCP协议，可兼顾容量和可靠性