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TCP/IP协议族的网络层基础（4）——IP路由

分类: 文章 • 2023-10-29 20:43:28
IP数据包的传输过程（路由）
IP协议的一个核心任务就是数据报的路由，即决定发送数据报到目标机器的路径。当一个IP数据报从数据链路层传输到IP模块的时候，IP模块的工作流程如下：
TCP/IP协议族的网络层基础（4）——IP路由
  • 当IP模块接收到IP数据报，先对数据报的头部做CRC校验，确认无误之后就分析其头部的具体信息
  • 如果该数据报设置了源站路由选项（头部选项字段中的松散源路由选择或严格源路由选择），则IP模块就调用数据报转发子模块来处理该数据报
  • IP模块会先查看头部信息中的目的IP地址，如果该数据报头部中的目的IP地址是本机的某个IP地址，或者是广播地址，即是发送给本机的，则根据头部信息中的协议字段具体交给上层的某个协议。如果不是本机的IP，则也调用数据报转发子模块来处理该数据报（就不往上层协议上发送了）
  • 数据报转发模块将检测系统是否允许转发，如果不允许，IP模块就将数据报丢弃。
  • 如果允许，就要计算IP数据报的下一跳节点。IP数据报应该发送给哪个下一跳的节点（路由或主机），以及经过哪个网卡来发送，就是IP的路由过程。这个计算过程的核心数据结构是路由表​。这个表按照数据报的目标IP地址进行分类，同一类型的IP数据报将被发送到相同的下一跳节点。计算好了以后，放到IP输出队列中
  • IP输出队列中​存放的是所有等待发送的IP数据报，其中除了需要转发的IP数据报以外，还包括了封装本机上层数据的IP数据报
  • 重复上述过程，一直到发送到目的IP

如何判断这个数据包该发往哪里？依靠每个节点内部维护一个路由表（注意是节点，包括主机和路由器）
  • 路由表由route命令查看，路由表的内容信息如下
字段
含义
Destination
 目标网络或主机
Gateway
网关地址，*表示目标地址和本机在同一个网络，不需要路由
Genmask
子网掩码
Flags
U：该路由项是有效的
H：该路由项的目标是一台主机
G：该路由项的目标是某个路由器的地址
D：该路由项是由重定向生成的
M：该路由项被重定向修改过
Metric
路由举例，即到达指定网络所需的中转数
Ref
路由项被引用的次数（Linux中未使用）
Use
该路由项被使用的次数
Iface
该路由项对于的输出网卡接口

  • 如果目的IP命中了路由表，就直接转发即可，不用路由
  • 路由表的default一行，是所谓的默认路由项，该项包含一个G标志，说明路由的下一跳目标是路由器，该地址就是本机所在子网的路由器的IP地址，当目的地址与路由表中其他节点不匹配时，就按默认路由条目规定的接口发送到下一跳地址TCP/IP协议族的网络层基础（4）——IP路由

IP路由机制的过程分为下面三个步骤（按照IP地址分类）
  • 查找路由表中和数据报的目的IP地址完全匹配的IP地址。如果找到，就是用该路由项
  • 如果没找到，查找路由表中和数据报的目的IP地址具有相同网络ID的网络IP地址​（即网段地址，如上图的192.168.224.0/24就是网段地址）。如果找到，就是用该路由项
  • 选择默认路由项，这通常意味着下一跳的地址是路由器。

因此，对于我的机器而言，所有发送到IP地址为192.168.224.*的机器的IP数据包都可以直接发送到目标机器而不需要经过路由（发送到本机的数据报根本不会进入都计算下一跳地址这一步，在处理IP头部信息的时候如果匹配了IP就直接交给上层协议了），而所有其他访问请求都将通过默认路由项来转发。

如果要发送的数据包地址是192.168.224.3
  • 跟每个子网掩码进行按位与，发现与最后一个192.168.224.0的目的网络地址相同，于是由接口ens33发送出去
  • 由于192.168.224.0正是与ens33接口直接相连的网络，所以不用经过路由，直接发送到目标主机

如果要发送的数据包地址是200.10.1.2
  • 跟每个子网掩码进行按位与，发现没有一个的目的网络地址相同，按默认路由条目，从ens33接口发出去，发往192.168.224.2路由器
  • 由192.168.224.2路由器根据它的路由表决定下一跳地址

路由表更新
    路由表必须能够更新，以反映网络连接的变化，这样IP模块才能准确、高效地转发数据报。
    route命令可以修改路由表，这是属于静态的路由更新方式。对于大型的路由器，常常通过BGP（Border Gateway Protocol，边际网关协议）和RIP（Routing Information Protocol，路由信息协议）、OSPF等协议来发现路径，并更新自己的路由表，这种更新方式是动态的、自动的。
sudo route add -host 192.168.224.138 dev ens33
上面的命令表示添加主机192.168.224.138对应的路由项，设置以后会有H标志
TCP/IP协议族的网络层基础（4）——IP路由
可以在通过下面的命令来删除刚添加进去的路由项
sudo route del  192.168.224.138

IP转发
    ​不是本机的IP数据报都交给数据报转发子模块来处理。路由器都能执行转发操作，而主机一般只发送和接收数据报，不支持转发。这意味着，如果IP数据报发送到主机，而主机不允许转发，那么主机就将丢弃该数据报。我们可以通过修改下面文件的内容来让主机支持转发。
TCP/IP协议族的网络层基础（4）——IP路由
这个文件中的值是0，改为1表示支持转发。
对于允许转发的节点（主机或路由器），数据报转发子模块将对数据报执行下面的操作
  • 检查头部的TTL值。如果TTL的值已经是0，则丢弃该数据报
  • 查看头部的严格源路由选择选项。如果该选项已被设置，则检测数据报的目标IP地址是否是本地的某个目标IP地址，如果不是，则发送一个ICMP源站选路失败报文给发送端
  • 如果有必要，则给源端发送一个​ICMP重定向报文，以告诉它一个更合理的下一跳路由器
  • 将TTL值-1
  • 处理IP头部选项
  • 如果有必要，执行IP分片操作​

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