網路協議 6 - 路由協議：敢問路在何方？
前面例子中，我們都是在一個區域網內折騰。今天就讓我們擴大範圍，在多個區域網甚至到廣闊的網際網路世界中遨遊，看看這中間會發生什麼。
這個過程中，跨閘道器訪問是我們要了解的第一個內容。
跨閘道器訪問
當我們要了解跨閘道器訪問時，就牽扯到 MAC 地址和 IP 地址的變化，因此，我們先來看下 MAC 頭和 IP 頭的細節。
MAC 頭和IP 頭的細節
如圖，在 MAC 頭裡，先是目標 MAC 地址，然後是源 MAC 地址，最後是協議型別。
在 IP 頭裡，最重要的就是源 IP 地址和目標 IP 地址。除此之外，還有版本號，也就是我們常說的 IPv4 和 IPv6、服務型別 TOS（表示資料包優先順序）、TTL（資料包生存週期）以及標識協議（TCP 和 UDP）
當我們訪問部落格園時，經過的第一個閘道器應該就是我們配置的預設閘道器。當本機訪問預設閘道器時，還是走區域網內部訪問的步驟：
- 將源地址和目標 IP 地址放入 IP 頭；
- 通過 ARP 協議獲得閘道器的 MAC 地址；
- 將源 MAC 地址和閘道器的 MAC 地址放入 MAC 頭中，傳送給閘道器。
而我們的閘道器，一般就是指 家裡的路由器，是一個三層轉發的裝置 。它會把 MAC 頭和 IP 頭都取下來，然後根據裡面的內容，看看接下來把資料包轉發到哪裡。
很多情況下，人們把閘道器叫做路由器。其實並不準備，用這個比喻應該更為恰當些：
路由器是一臺裝置，它有五個網口或者網絡卡，相當於有五隻手，分別連著五個區域網。每隻手的 IP 地址都和區域網的 IP 地址有著相同的網段，每隻手都是它握住的那個區域網的閘道器。
任何一個想發往其他區域網的包，都會到達其中一隻手，被拿進來，拿下 MAC 頭和 IP 頭，然後根據自己的 路由演算法 ，選擇另一隻手，加上 IP 頭和 MAC 頭，然後扔出去。
注意，在上面這個過程中，有出現 路由演算法 。接下來，我們就來認識下它。
路由演算法
路由演算法，又名選路演算法，是提高路由協議功能，儘量減少路由時所帶來的開銷的演算法。
路由演算法可以根據多個特性來加以區分，找到到達目的地的最佳路由。
路由演算法的區分點有很多，有
- 靜態與動態
- 單路徑與多路徑
- 平坦與分層
- 主機智慧與路由器智慧
- 域內與域間
- 連結狀態與距離向量
這裡主要介紹 靜態與動態 路由演算法。
靜態路由
靜態路由演算法，實質上是由閘道器配置好的對映表。
我們家裡的路由器，可能會有這樣的路由配置
訪問部落格園，從 2 號口出去，下一跳是 IP2；
訪問百度，從 3 號口出去，下一跳是 IP3。
類似上述這樣的規則就是靜態路由，按照一定的語法儲存在路由器裡。
每當要選擇從哪個口丟擲去的時候，就一條一條的匹配規則，找到符合的規則，就按規則辦事，從指定口丟擲去，找下一跳 IP。
過閘道器的“變”與“不變”
之前我們瞭解到，MAC 地址是一個區域網內才有效的地址。因此，MAC 地址只要過閘道器，就肯定會改變。而 IP 地址在過閘道器後 ，就不一定會改變了。
經過閘道器 A 後，如果IP 地址沒有改變，那 A 就是 轉發閘道器 ，否則，就是 NAT閘道器 。
轉發閘道器
如上圖，伺服器 A 要訪問伺服器 B，要經過過程：
1）伺服器 A 到 閘道器 A
- 檢查 B 的網段，發現不在同一個網段，因此發給閘道器
- 由於閘道器的 IP 地址是已經配置好了，因此傳送 ARP 獲取閘道器的 MAC 地址
- 傳送包
而最後傳送包的內容主要有：
- 源 MAC：伺服器 A 的 MAC
- 模板 MAC：192.168.1.1 閘道器的 MAC
- 源 IP：192.168.1.101
- 目標 IP：192.168.4.101
資料包到達 192.168.1.1 這個網口後，網口發現 MAC 地址是它的，就將包收進來，然後開始“思考”往哪裡轉發。
這時候，路由器 A 中配置了規則 A1：
要訪問 192.168.4.0/24，就從 192.168.56.1 這個網口出去，下一跳是 192.168.56.2
2）閘道器 A 到 閘道器 B
於是，路由器 A 匹配了 A1，要從 192.168.56.1 這個口發出去，發給 192.168.56.2。於是，又開始了這個過程：
- 檢查 B 的網段，發現在同一個網段， ARP 獲取 MAC 地址
- 傳送包
資料包的內容是：
- 源 MAC：192.168.56.1 的 MAC
- 模板 MAC：192.168.56.2 的 MAC
- 源 IP：192.168.1.101
- 目標 IP：192.168.4.101
資料包到達 192 .168.56.2 網口，網口發現 MAC 地址是它的，就將包收進來，然後去檢查路由規則。
路由器 B 配置以下規則 B1：
想訪問 192.168.4.0/24，就從 192.168.4.1
而路由器 B 發現，它的右網口就是目標地址網段的，因此就沒有下一跳了。
3）閘道器 B 到 伺服器 B
路由器 B 匹配上 B1。從 192.168.4.1 出口，發給 192.168.4.101。資料包內容：
- 源 MAC：192.168.4.1 的 MAC
- 模板 MAC：192.168.4.101 的 MAC
- 源 IP：192.168.1.101
- 目標 IP：192.168.4.101
伺服器 B 收到資料包，發現 MAC 地址是它的，就把包收進來。
通過上面的過程可以看出，每到一個新的區域網， MAC 地址都是要變的，而 IP 地址則都不變。在 IP 頭裡面，不會儲存任何閘道器的 IP 地址。
而我們說的下一跳， 就是某個 IP 要將這個 IP 地址轉換為 MAC 放入 MAC 頭 。
NAT 閘道器
NAT 閘道器，也就是 Network Address Translation。
由於各個區域網都有各自的網段，很容易出現 IP 衝突的情況。如上圖，美國伺服器 A 的 IP 地址和 法國伺服器 B 的 IP 地址都是 192.168.1.101/24，從 IP 上看，好像是自己訪問自己，但實際上從美國的 192.168.1.101 訪問法國的 192.168.1.101。
如何解決這個問題呢？既然區域網之間沒有商量好 IP 分配，各管各的，那到國際上，也就是中間的局域網裡面，就需要使用另外的地址，就像出國後，我們要改用護照一樣。
首先，目標伺服器 B 在國際上要有一個 國際的身份 ，我們給它一個 190.168.56.2.在閘道器 B 上，我們記下來，國際身份 192.168.56.2 對應國內身份 192.168.1.101.凡是要訪問 192.168.56.2 的，閘道器都要轉成 192.168.1.101。
於是，源伺服器 A 要訪問目標伺服器 B，目標地址就變成國際 IP 地址 192.168.56.2。過程如下：
1）源伺服器 A 發資料包到閘道器 A
- 檢查伺服器 B IP，不在同一網段
- ARP 獲取閘道器 MAC 地址
- 傳送包
資料包的內容是這樣的：
- 源 MAC：伺服器 A 的 MAC
- 目標 MAC：192.168.1.1 這個網口的 MAC
- 源 IP：192.168.1.101
- 目標 IP：192.168.56.2
路由器 A 中 192.168.1.1 這個網口收到資料包後，檢查 MAC 地址一致，將包收進來。
在路由器 A 中配置了規則：
想訪問 192.168.56.2/24，就從 192.168.56.1 網口發出去，發給 192.168.56.2，沒有下一跳。
由於路由器的右網口（192.168.56.1） IP 地址和目標 IP 地址在同一網段，因此沒有下一跳。
2）閘道器 A 到閘道器 B
當網路包傳送到中間的區域網時，伺服器 A 也需要有個國際身份。因此，源 IP 地址 192.168.1.101 要改成 192.168.56.1，所以資料包的內容是：
- 源 MAC：192.168.56.1 的 MAC
- 目標 MAC：192.168.56.2 的 MAC
- 源 IP：192.168.56.1
- 目標 IP：192.168.56.2
包到達 192.168.56.2 這個網口後，發現 MAC 一致，就將包收進來。
而路由器 B 是 NAT 閘道器，它上面配置了，國際身份 192.168.56.2 對應國內的 192.168.1.101，於是目標地址改為 192.168.1.101。
同樣的，路由器 B 中配置了規則：
想訪問 192.168.1.101，就從 192.168.1.1 網口出去，沒有下一跳。
於是，資料包就從 192.168.1.1 這個網口發給 192.168.1.101。
3）閘道器 B 到伺服器 B
資料包從 192.168.1.1 網口發出後，同樣經過這些步驟：
- 檢查伺服器 B 的 IP，在同一網段
- ARP 獲取伺服器 B 的 MAC 地址
- 傳送包
這時的資料包就變成了：
- 源 MAC：192.168.1.1 的 MAC
- 目標 MAC：192.168.1.101 的 MAC
- 源 IP：192.168.56.1
- 目標 IP：192.168.1.101
伺服器收到包後，檢查 MAC 地址一致，就將資料包收進來。
從伺服器 B 接收的資料包可以看出，源 IP 為 伺服器 A 的國際身份，因而傳送返回包的時候，也發給這個國際身份，由路由器 A 做 NAT，轉換為國內身份。
動態路由
動態路由演算法
距離向量路由演算法
1）基本思路
基於Bellman-Ford 演算法。每個路由器都儲存一個路由表，包含多行，每行對應網路中的一個路由器，每一行包含兩部分資訊，一個是要到目標路由器，從哪條線出去，另一個是到目標路由器的距離
2）存在問題
a. 好訊息傳得塊，壞訊息傳的慢。
新加入的路由器能夠很快的新路由器資訊廣播出去。但是如果一個路由器掛了，掛的訊息沒有廣播。每個經過這個宕機節點的路由器，無法得知該節點一宕機，而是試圖通過其他的路徑訪問，直到試過了所有的路徑，才發現這個路由器已經宕機了。
示例：
b. 每次傳送訊息，要傳送整個全域性路由表
上面的兩個問題，限制了 距離向量路由 的網路規模，僅適用於小型網路（小於 15 跳）。
鏈路狀態路由演算法
1）基本思路
基於Dijkstra 演算法。當一個路由器加入網路是，首先是發現鄰居，給鄰居說 hello，鄰居都回復。然後計算和鄰居的距離，傳送一個 echo，要求馬上返回，除以 2 就是距離。接著將自己和鄰居之間的鏈路狀態包廣播出去，傳送到整個網路的每個路由器。
這種演算法中，每個路由器都能在自己本地構建一個完整的圖，然後針對這個圖使用 Dijkstra 演算法，找到兩點之間的最短路徑。
不像距離向量路由協議那樣，更新時傳送整個路由表。鏈路狀態路由協議只廣播更新的或改變的網路拓撲，這使得更新資訊更小，節省了寬頻和 CPU 利用率。而且一旦一個路由器掛了，它的鄰居都會廣播這個訊息，可以使得壞訊息迅速收斂。
動態路由協議
基於鏈路狀態路由演算法的 OSPF
OSPF（Open Shortest Path First, 開放式最短路徑優先）協議，廣泛應用在 資料中心 的協議。由於主要用在資料中心內部，用於路由決策，因此稱為 內部閘道器協議（Interior Gateway Protocol，簡稱 IGP）
內部閘道器協議的重點就是 找到最短路徑 。當存在多個最短路徑時，可以在這多個路徑中進行負載均衡，這常常被稱為 等價路由 。
等價路由不僅可以用來分攤流量，還可以提高容錯率，當一條路徑不通時，還可以通過另外一條路到達目的地。
基於距離向量路由演算法的 BGP
針對網路之間的路由協議，稱為 外網路由協議（Border Gateway Protocol，簡稱 BGP）
每個資料中心都有自己的路由配置。例如，哪些外部 IP 可以讓內部知曉，哪些內部 IP 可以讓外部知曉，哪些可以通過，哪些不能通過。
因此，在各個資料中心進行互動時，需要一種協議，通過這種協議，可以知道相鄰資料中心的路由配置，從而找到資料中心之間最好的路由。
BGP 協議就是這樣的協議。它不著眼於發現和計算路由，而在於控制路由的傳播和選擇最好的路由。
總結
- 資料包要離開本區域網，就要經過閘道器，閘道器就是路由器的一個網口；
- 路由器是一個三層裝置，理由有如何尋找下一跳的規則；
- 經過路由器之後的 MAC 頭肯定會變。如果 IP 不變，就是 轉發閘道器 ，否則就是 NAT閘道器 ；
- 路由分靜態路由和動態路由，動態路由可以配置複雜的策略路由，控制轉發策略；
- 動態路由主流演算法有兩種，距離向量演算法和鏈路狀態演算法。基於兩種演算法產生兩種協議，BGP 協議和 OSPF 協議。
參考：
- 百度百科
- 劉超-趣談網路協議系列課；