網(wǎng)關(guān)，路由，其實(shí)我們每個(gè)人上網(wǎng)都是需要的，但是具體的原理是不是得安排下。
重學(xué)網(wǎng)絡(luò)系列之（HTTP的前世今生）
重學(xué)網(wǎng)絡(luò)系列之（我的名字叫IP)
人生一世，如鏡花水月，今朝姹紫嫣紅，明日已成夢幻泡影。與其追憶故園芳菲，莫不如放下繁華，重覓一片竹海。一支瘦笛，一曲笑傲江湖。一彎冷月，一肩千古情仇。
ICMP和Ping
基本上我們都碰到過網(wǎng)絡(luò)連不上的問題，那臺機(jī)器明明就在那里，你甚至都可以通過機(jī)器的終端連上去看。它看著好好的，可是就是連不上去，究竟是哪里出了問題呢
一般來說我們都會想到用Ping，那你知道Ping是如何工作的嗎？
ping是基于ICMP協(xié)議工作的。ICMP全稱InternetControlMessageProtocol，就是互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議。這里面的關(guān)鍵詞是“控制”，那具體是怎么控制的呢？
ICMP協(xié)議是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。
一個(gè)新搭建好的網(wǎng)絡(luò)，往往需要先進(jìn)行一個(gè)簡單的測試，來驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)是否暢通；但是IP協(xié)議并不提供可靠傳輸。如果丟包了，IP協(xié)議并不能通知傳輸層是否丟包以及丟包的原因。所以我們就需要一種協(xié)議來完成這樣的功能–ICMP協(xié)議。
ICMP協(xié)議的功能
確認(rèn)IP包是否成功到達(dá)目標(biāo)地址
通知在發(fā)送過程中IP包被丟棄的原因
我們需要注意幾點(diǎn)：
ICMP是基于IP協(xié)議工作的，但是它并不是傳輸層的功能，因此仍然把它歸結(jié)為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議
ICMP只能搭配IPv4使用，如果是IPv6的情況下,需要是用ICMPv6
ICMP協(xié)議的格式
ICMP報(bào)文包含在IP數(shù)據(jù)報(bào)中，IP報(bào)頭在ICMP報(bào)文的最前面。一個(gè)ICMP報(bào)文包括IP報(bào)頭（至少20字節(jié)）、ICMP報(bào)頭（至少八字節(jié)）和ICMP報(bào)文（屬于ICMP報(bào)文的數(shù)據(jù)部分）。當(dāng)IP報(bào)頭中的協(xié)議字段值為1時(shí)，就說明這是一個(gè)ICMP報(bào)文。ICMP報(bào)頭如下圖所示。
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ping的發(fā)送和接收過程。
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假定主機(jī)A的IP地址是192.168.1.1，主機(jī)B的IP地址是192.168.1.2，它們都在同一個(gè)子網(wǎng)。那當(dāng)你在主機(jī)A上運(yùn)行“ping192.168.1.2”后，會發(fā)生什么呢?
ping命令執(zhí)行的時(shí)候，源主機(jī)首先會構(gòu)建一個(gè)ICMP請求數(shù)據(jù)包，ICMP數(shù)據(jù)包內(nèi)包含多個(gè)字段。最重要的是兩個(gè)，第一個(gè)是類型字段，對于請求數(shù)據(jù)包而言該字段為8；另外一個(gè)是順序號，主要用于區(qū)分連續(xù)ping的時(shí)候發(fā)出的多個(gè)數(shù)據(jù)包。每發(fā)出一個(gè)請求數(shù)據(jù)包，順序號會自動加1。為了能夠計(jì)算往返時(shí)間RTT，它會在報(bào)文的數(shù)據(jù)部分插入發(fā)送時(shí)間。
然后，由ICMP協(xié)議將這個(gè)數(shù)據(jù)包連同地址192.168.1.2一起交給IP層。IP層將以192.168.1.2作為目的地址，本機(jī)IP地址作為源地址，加上一些其他控制信息，構(gòu)建一個(gè)IP數(shù)據(jù)包。
接下來，需要加入MAC頭。如果在本節(jié)ARP映射表中查找出IP地址192.168.1.2所對應(yīng)的MAC地址，則可以直接使用；如果沒有，則需要發(fā)送ARP協(xié)議查詢MAC地址，獲得MAC地址后，由數(shù)據(jù)鏈路層構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)幀，目的地址是IP層傳過來的MAC地址，源地址則是本機(jī)的MAC地址；還要附加上一些控制信息，依據(jù)以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問規(guī)則，將它們傳送出去。
主機(jī)B收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀后，先檢查它的目的MAC地址，并和本機(jī)的MAC地址對比，如符合，則接收，否則就丟棄。接收后檢查該數(shù)據(jù)幀，將IP數(shù)據(jù)包從幀中提取出來，交給本機(jī)的IP層。同樣，IP層檢查后，將有用的信息提取后交給ICMP協(xié)議。
主機(jī)B會構(gòu)建一個(gè)ICMP應(yīng)答包，應(yīng)答數(shù)據(jù)包的類型字段為0，順序號為接收到的請求數(shù)據(jù)包中的順序號，然后再發(fā)送出去給主機(jī)A。在規(guī)定的時(shí)候間內(nèi)，源主機(jī)如果沒有接到ICMP的應(yīng)答包，則說明目標(biāo)主機(jī)不可達(dá)；如果接收到了ICMP應(yīng)答包，則說明目標(biāo)主機(jī)可達(dá)。
MAC頭和IP頭的細(xì)節(jié)
一旦配置了IP地址和網(wǎng)關(guān)，往往就能夠指定目標(biāo)地址進(jìn)行訪問了。由于在跨網(wǎng)關(guān)訪問的時(shí)候，牽扯到MAC地址和IP地址的變化，這里有必要詳細(xì)描述一下MAC頭和IP頭的細(xì)節(jié)。
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在MAC頭里面，先是目標(biāo)MAC地址，然后是源MAC地址，然后有一個(gè)協(xié)議類型，用來說明里面是IP協(xié)議。IP頭里面的版本號，目前主流的還是IPv4，這里到了下一層的協(xié)議，也就是，是TCP還是UDP。最重要的就是源IP和目標(biāo)IP。先是源IP地址，然后是目標(biāo)IP地址。
在任何一臺機(jī)器上，當(dāng)要訪問另一個(gè)IP地址的時(shí)候，都會先判斷，這個(gè)目標(biāo)IP地址，和當(dāng)前機(jī)器的IP地址，是否在同一個(gè)網(wǎng)段。怎么判斷同一個(gè)網(wǎng)段呢？需要CIDR和子網(wǎng)掩碼。
如果是同一個(gè)網(wǎng)段，例如，你訪問你旁邊的兄弟的電腦，那就沒網(wǎng)關(guān)什么事情，直接將源地址和目標(biāo)地址放入IP頭中，然后通過ARP獲得MAC地址，將源MAC和目的MAC放入MAC頭中，發(fā)出去就可以了。
如果不是同一網(wǎng)段，例如，你要訪問你們校園網(wǎng)里面的BBS，該怎么辦？這就需要發(fā)往默認(rèn)網(wǎng)關(guān)Gateway。Gateway的地址一定是和源IP地址是一個(gè)網(wǎng)段的。往往不是第一個(gè)，就是第二個(gè)。例如192.168.1.0/24這個(gè)網(wǎng)段，Gateway往往會是192.168.1.1/24或者192.168.1.2/24。
如何發(fā)往默認(rèn)網(wǎng)關(guān)呢？網(wǎng)關(guān)不是和源IP地址是一個(gè)網(wǎng)段的么？這個(gè)過程就和發(fā)往同一個(gè)網(wǎng)段的其他機(jī)器是一樣的：將源地址和目標(biāo)IP地址放入IP頭中，通過ARP獲得網(wǎng)關(guān)的MAC地址，將源MAC和網(wǎng)關(guān)的MAC放入MAC頭中，發(fā)送出去。網(wǎng)關(guān)所在的端口，例如192.168.1.1/24將網(wǎng)絡(luò)包收進(jìn)來，然后接下來怎么做，就完全看網(wǎng)關(guān)的了。
網(wǎng)關(guān)往往是一個(gè)路由器，是一個(gè)三層轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備。啥叫三層設(shè)備？前面也說過了，就是把MAC頭和IP頭都取下來，然后根據(jù)里面的內(nèi)容，看看接下來把包往哪里轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備。
很多情況下，人們把網(wǎng)關(guān)就叫作路由器。其實(shí)不完全準(zhǔn)確，而另一種比喻更加恰當(dāng)：路由器是一臺設(shè)備，它有五個(gè)網(wǎng)口或者網(wǎng)卡，相當(dāng)于有五只手，分別連著五個(gè)局域網(wǎng)。每只手的IP地址都和局域網(wǎng)的IP地址相同的網(wǎng)段，每只手都是它握住的那個(gè)局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。
任何一個(gè)想發(fā)往其他局域網(wǎng)的包，都會到達(dá)其中一只手，被拿進(jìn)來，拿下MAC頭和IP頭，看看，根據(jù)自己的路由算法，選擇另一只手，加上IP頭和MAC頭，然后扔出去。
IP頭和MAC頭哪些變、哪些不變？
MAC地址是一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)才有效的地址。因而，MAC地址只要過網(wǎng)關(guān)，就必定會改變，因?yàn)橐呀?jīng)換了局域網(wǎng)。兩者主要的區(qū)別在于IP地址是否改變。不改變IP地址的網(wǎng)關(guān)，我們稱為轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)；改變IP地址的網(wǎng)關(guān)，我們稱為NAT網(wǎng)關(guān)。
結(jié)合下面的圖
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服務(wù)器A要訪問服務(wù)器B。首先，服務(wù)器A會思考，192.168.4.101和我不是一個(gè)網(wǎng)段的，因而需要先發(fā)給網(wǎng)關(guān)。那網(wǎng)關(guān)是誰呢？已經(jīng)靜態(tài)配置好了，網(wǎng)關(guān)是192.168.1.1。網(wǎng)關(guān)的MAC地址是多少呢？發(fā)送ARP獲取網(wǎng)關(guān)的MAC地址，然后發(fā)送包。包的內(nèi)容是這樣的：
源MAC：服務(wù)器A的MAC
目標(biāo)MAC：192.168.1.1這個(gè)網(wǎng)口的MAC
源IP：192.168.1.101
目標(biāo)IP：192.168.4.101
包到達(dá)192.168.1.1這個(gè)網(wǎng)口，發(fā)現(xiàn)MAC一致，將包收進(jìn)來，開始思考往哪里轉(zhuǎn)發(fā)。
在路由器A中配置了靜態(tài)路由之后，要想訪問192.168.4.0/24，要從192.168.56.1這個(gè)口出去，下一跳為192.168.56.2。
于是，路由器A思考的時(shí)候，匹配上了這條路由，要從192.168.56.1這個(gè)口發(fā)出去，發(fā)給192.168.56.2，那192.168.56.2的MAC地址是多少呢？路由器A發(fā)送ARP獲取192.168.56.2的MAC地址，然后發(fā)送包。包的內(nèi)容是這樣的：
源MAC：192.168.56.1的MAC地址
目標(biāo)MAC：192.168.56.2的MAC地址
源IP：192.168.1.101
目標(biāo)IP：192.168.4.101
包到達(dá)192.168.56.2這個(gè)網(wǎng)口，發(fā)現(xiàn)MAC一致，將包收進(jìn)來，開始思考往哪里轉(zhuǎn)發(fā)。在路由器B中配置了靜態(tài)路由，要想訪問192.168.4.0/24，要從192.168.4.1這個(gè)口出去，沒有下一跳了。因?yàn)槲矣沂诌@個(gè)網(wǎng)卡，就是這個(gè)網(wǎng)段的，我是最后一跳了。
于是，路由器B思考的時(shí)候，匹配上了這條路由，要從192.168.4.1這個(gè)口發(fā)出去，發(fā)給192.168.4.101。那192.168.4.101的MAC地址是多少呢？路由器B發(fā)送ARP獲取192.168.4.101的MAC地址，然后發(fā)送包。包的內(nèi)容是這樣的：
源MAC：192.168.4.1的MAC地址
目標(biāo)MAC：192.168.4.101的MAC地址
源IP：192.168.1.101
目標(biāo)IP：192.168.4.101
包到達(dá)服務(wù)器B，MAC地址匹配，將包收進(jìn)來。
通過這個(gè)過程可以看出，每到一個(gè)新的局域網(wǎng)，MAC都是要變的，但是IP地址都不變。在IP頭里面，不會保存任何網(wǎng)關(guān)的IP地址。所謂的下一跳是，某個(gè)IP要將這個(gè)IP地址轉(zhuǎn)換為MAC放入MAC頭。
上面的過程遇到的問題
大家想想看哈，局域網(wǎng)之間沒有商量過，各定各的網(wǎng)段，因而IP段沖突了，如下圖
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最左面的地址是192.168.1.101，最右面的地址也是192.168.1.101，如果單從IP地址上看，簡直是自己訪問自己，其實(shí)是192.168.1.101要訪問192.168.1.101
怎么解決這個(gè)問題呢？既然局域網(wǎng)之間沒有商量過，你們各管各的，那到國際上，也即中間的局域網(wǎng)里面，就需要使用另外的地址。就像出國，不能用咱們自己的身份證，而要改用護(hù)照一樣，而不能用自己國家的身份證。
首先，目標(biāo)服務(wù)器B在國際上要有一個(gè)國際的身份，我們給它一個(gè)192.168.56.2。在網(wǎng)關(guān)B上，我們記下來，國際身份192.168.56.2對應(yīng)國內(nèi)身份192.168.1.101。凡是要訪問192.168.56.2，都轉(zhuǎn)成192.168.1.101。
于是，源服務(wù)器A要訪問目標(biāo)服務(wù)器B，要指定的目標(biāo)地址為192.168.56.2。這是它的國際身份。服務(wù)器A想，192.168.56.2和我不是一個(gè)網(wǎng)段的，因而需要發(fā)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)是誰？已經(jīng)靜態(tài)配置好了，網(wǎng)關(guān)是192.168.1.1，網(wǎng)關(guān)的MAC地址是多少？發(fā)送ARP獲取網(wǎng)關(guān)的MAC地址，然后發(fā)送包。包的內(nèi)容是這樣的：
源MAC：服務(wù)器A的MAC
目標(biāo)MAC：192.168.1.1這個(gè)網(wǎng)口的MAC
源IP：192.168.1.101
目標(biāo)IP：192.168.56.2
包到達(dá)192.168.1.1這個(gè)網(wǎng)口，發(fā)現(xiàn)MAC一致，將包收進(jìn)來，開始思考往哪里轉(zhuǎn)發(fā)。
在路由器A中配置了靜態(tài)路由：要想訪問192.168.56.2/24，要從192.168.56.1這個(gè)口出去，沒有下一跳了，因?yàn)槲矣沂诌@個(gè)網(wǎng)卡，就是這個(gè)網(wǎng)段的，我是最后一跳了。
于是，路由器A思考的時(shí)候，匹配上了這條路由，要從192.168.56.1這個(gè)口發(fā)出去，發(fā)給192.168.56.2。那192.168.56.2的MAC地址是多少呢？路由器A發(fā)送ARP獲取192.168.56.2的MAC地址。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)包發(fā)送到中間的局域網(wǎng)的時(shí)候，服務(wù)器A也需要有個(gè)國際身份，因而在國際上，源IP地址也不能用192.168.1.101，需要改成192.168.56.1。發(fā)送包的內(nèi)容是這樣的：
MAC：192.168.56.1的MAC地址
標(biāo)MAC：192.168.56.2的MAC地址
IP：192.168.56.1
標(biāo)IP：192.168.56.2
包到達(dá)192.168.56.2這個(gè)網(wǎng)口，發(fā)現(xiàn)MAC一致，將包收進(jìn)來，開始思考往哪里轉(zhuǎn)發(fā)。路由器B是一個(gè)NAT網(wǎng)關(guān)，它上面配置了，要訪問國際身份192.168.56.2對應(yīng)國內(nèi)身份192.168.1.101，于是改為訪問192.168.1.101。
在路由器B中配置了靜態(tài)路由：要想訪問192.168.1.0/24，要從192.168.1.1這個(gè)口出去，沒有下一跳了，因?yàn)槲矣沂诌@個(gè)網(wǎng)卡，就是這個(gè)網(wǎng)段的，我是最后一跳了。
于是，路由器B思考的時(shí)候，匹配上了這條路由，要從192.168.1.1這個(gè)口發(fā)出去，發(fā)給192.168.1.101。
那192.168.1.101的MAC地址是多少呢？路由器B發(fā)送ARP獲取192.168.1.101的MAC地址，然后發(fā)送包。內(nèi)容是這樣的：
源MAC：192.168.1.1的MAC地址
目標(biāo)MAC：192.168.1.101的MAC地址
源IP：192.168.56.1
目標(biāo)IP：192.168.1.101
從服務(wù)器B接收的包可以看出，源IP為服務(wù)器A的國際身份，因而發(fā)送返回包的時(shí)候，也發(fā)給這個(gè)國際身份，由路由器A做NAT，轉(zhuǎn)換為國內(nèi)身份。
從這個(gè)過程可以看出，IP地址也會變。這個(gè)過程用英文說就是NetworkAddressTranslation，簡稱NAT。
其實(shí)這第二種方式我們經(jīng)常見，現(xiàn)在大家每家都有家用路由器，家里的網(wǎng)段都是192.168.1.x，所以你肯定訪問不了你鄰居家的這個(gè)私網(wǎng)的IP地址的。所以，當(dāng)我們家里的包發(fā)出去的時(shí)候，都被家用路由器NAT成為了運(yùn)營商的地址了。
如何配置路由？
路由器就是一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它有多張網(wǎng)卡。當(dāng)一個(gè)入口的網(wǎng)絡(luò)包送到路由器時(shí)，它會根據(jù)一個(gè)本地的轉(zhuǎn)發(fā)信息庫，來決定如何正確地轉(zhuǎn)發(fā)流量。這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)信息庫通常被稱為路由表。一張路由表中會有多條路由規(guī)則。每一條規(guī)則至少包含這三項(xiàng)信息。
目的網(wǎng)絡(luò)：這個(gè)包想去哪兒？
出口設(shè)備：將包從哪個(gè)口扔出去？
下一跳網(wǎng)關(guān)：下一個(gè)路由器的地址。
例如，我們設(shè)置iprouteadd10.176.48.0/20via10.173.32.1deveth0，就說明要去10.176.48.0/20這個(gè)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，要從eth0端口出去，經(jīng)過10.173.32.1。
動態(tài)路由算法
在大學(xué)里面學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，知道求最短路徑常用的有兩種方法，一種是Bellman-Ford算法，一種是Dijkstra算法。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中基本也是用這兩種方法計(jì)算的。
距離矢量路由算法
鏈路狀態(tài)路由算法
結(jié)尾
問大家?guī)讉€(gè)問題
當(dāng)你訪問www.taobao.com的時(shí)候，你發(fā)送的包需要通過NAT轉(zhuǎn)換成公網(wǎng)ip，然后淘寶返回的數(shù)據(jù)又要從公網(wǎng)IP變成你的局域網(wǎng)IP,假設(shè)我局域網(wǎng)很多IP,他怎么知道哪個(gè)對應(yīng)的是哪個(gè)
NAT在進(jìn)行地址替換時(shí)不僅僅包含IP地址，還有端口號。具體說來就是，我們在進(jìn)行連接外網(wǎng)服務(wù)器請求的數(shù)據(jù)包中，除了源、目的IP地址外，還有源、目的端口號。其中目的端口號是固定的，比如21或80等等。但源端口號是隨機(jī)生成的。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)進(jìn)行NAT的設(shè)備時(shí)，除了私有IP地址會被替換成公網(wǎng)IP地址外，端口號也會被替換成NAT隨機(jī)生成的端口號。NAT的端口號和局域網(wǎng)中的主機(jī)一一對應(yīng)，同時(shí)NAT設(shè)備維護(hù)一張端口號和主機(jī)對應(yīng)的表。當(dāng)外網(wǎng)服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)到NAT設(shè)備時(shí)，NAT設(shè)備通過返回?cái)?shù)據(jù)包中的端口號找到局域網(wǎng)中的主機(jī)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。
這樣就完整的實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)主機(jī)上外網(wǎng)的功能。
當(dāng)我們網(wǎng)絡(luò)中的包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r(shí)候，目標(biāo)mac地址和源mac地址的變化，目標(biāo)ip和源Ip的變化。
這個(gè)答案在文章中。
參考
趣談網(wǎng)絡(luò)
ICMP作原理。
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