浅谈网络 | 二层到三层

物理层到MAC层

第一层（物理层）

当我们想要与朋友在各自的电脑上组建一个内网通信的局域网时，我们需要进行一系列的配置。首先，由于是直接电脑连电脑（使用交叉网线），我们需要确保两台电脑的IP地址、子网掩码和默认网关被配置在同一个网络段内。例如，一台电脑可以配置为192.168.0.1/24，而另一台电脑则配置为192.168.0.2/24。只有这样，两台电脑才能进行有效的通信。

在网络通信中，数据包的结构是完整的，包含了多个层次的信息。其中，IP层负责封装数据，但为了确保数据能够正确地传输到物理层，它还需要依赖于MAC层。MAC层负责将IP数据包封装成帧，并添加源MAC地址和目标MAC地址，以便在局域网中进行传输。

当我们将两台电脑通过网线直接连接时，它们就构成了一个最小的局域网，也就是LAN。但是，如果我们有更多的电脑需要连接呢？比如，再加入一个朋友的电脑，三台电脑连接该如何处理？

先不说交换机。之前有个叫作Hub的东西，也就是集线器。这种设备有多个口，可以将多台电脑连接起来。但是，和交换机不同，集线器没有大脑，它完全在物理层工作。它会将自己收到的每一个字节，都复制到其他端口上去。这是第一层物理层联通的方案。

第二层（数据链路层）

你可能已经发现问题了。Hub 采取的是广播的模式，如果每一台电脑发出的包，每个电脑都能收到，那就麻烦了。这就需要解决几个问题：

这个包是发给谁的？谁应该接收？
大家都在发，会不会产生混乱？有没有谁先发、谁后发的规则？
如果发送的时候出现了错误，怎么办？
这几个问题，都是第二层，数据链路层，也即 MAC 层要解决的问题。MAC的全称是Medium Access Control，即媒体访问控制。控制什么呢？其实就是控制在往媒体上发数据的时候，谁先发、谁后发的问题。防止发生混乱。这解决的是第二个问题。这个问题中的规则，学名叫多路访问。有很多算法可以解决这个问题。就像车管所管束马路上跑的车，能想的办法都想过了。

比如接下来这三种方式：

方式一：分多个车道。每个车一个车道，你走你的，我走我的。这在计算机网络里叫作信道划分；

方式二：今天单号出行，明天双号出行，轮着来。这在计算机网络里叫作轮流协议；

方式三：不管三七二十一，有事儿先出门，发现特堵，就回去。错过高峰再出。我们叫作随机接入协议。著名的以太网，用的就是这个方式。

解决了第二个问题，就是解决了媒体接入控制的问题，MAC 的问题也就解决好了。这和 MAC 地址没什么关系。

接下来要解决第一个问题：发给谁，谁接收？这里用到一个物理地址，叫作链路层地址。但是因为第二层主要解决媒体接入控制的问题，所以它常被称为MAC 地址。

解决第一个问题就牵扯到第二层的网络包格式。对于以太网，第二层的最开始，就是目标的 MAC 地址和源的 MAC 地址。

接下来是类型，大部分的类型是 IP 数据包，然后 IP 里面包含 TCP、UDP，以及 HTTP 等，这都是里层封装的事情。

有了这个目标 MAC 地址，数据包在链路上广播，MAC 的网卡才能发现，这个包是给它的。MAC 的网卡把包收进来，然后打开 IP 包，发现 IP 地址也是自己的，再打开 TCP 包，发现端口是自己，也就是 80，而 nginx 就是监听 80。

于是将请求提交给 nginx，nginx 返回一个网页。然后将网页需要发回请求的机器。然后层层封装，最后到 MAC 层。因为来的时候有源 MAC 地址，返回的时候，源 MAC 就变成了目标 MAC，再返给请求的机器。
对于以太网，第二层的最后面是CRC，也就是循环冗余检测。通过 XOR 异或的算法，来计算整个包是否在发送的过程中出现了错误，主要解决第三个问题。

这里还有一个没有解决的问题，当源机器知道目标机器的时候，可以将目标地址放入包里面，如果不知道呢？一个广播的网络里面接入了 N 台机器，我怎么知道每个 MAC 地址是谁呢？这就是ARP 协议，也就是已知 IP 地址，求 MAC 地址的协议。

在一个局域网里面，当知道了 IP 地址，不知道 MAC 怎么办呢？靠“吼”。

广而告之，发送一个广播包，谁是这个 IP 谁来回答。具体询问和回答的报文就像下面这样：

为了避免每次都用 ARP 请求，机器本地也会进行 ARP 缓存。当然机器会不断地上线下线，IP 也可能会变，所以 ARP 的 MAC 地址缓存过一段时间就会过期。

局域网

对于局域网组网，用集线器连接也能用，但一旦机器数目增多，问题就出现了。
Hub 是广播的，不管某个接口是否需要，所有的 Bit 都会被发送出去，然后让主机来判断是不是需要。这种方式路上的车少就没问题，车一多，产生冲突的概率就提高了。而且把不需要的包转发过去，纯属浪费。

现在需要一种能把 MAC 头拿下来，检查一下目标 MAC 地址，然后根据策略转发的设备。这个设备显然是个二层设备，我们称为交换机。
交换机怎么知道每个口的电脑的 MAC 地址呢？这需要交换机会学习。

一台 MAC1 电脑将一个包发送给另一台 MAC2 电脑，当这个包到达交换机的时候，一开始交换机也不知道 MAC2 的电脑在哪个口，所以没办法，它只能将包转发给除了来的那个口之外的其他所有的口。但是，这个时候，交换机会干一件非常聪明的事情，就是交换机会记住，MAC1 是来自一个明确的口。以后有包的目的地址是 MAC1 的，直接发送到这个口就可以了。

当交换机作为一个关卡一样，过了一段时间之后，就有了整个网络的一个结构了，这个时候，基本上不用广播了，全部可以准确转发。当然，每个机器的 IP 地址会变，所在的口也会变，因而交换机上的学习的结果，我们称为转发表，是有一个过期时间的。

总结:
一，MAC 层是用来解决多路访问的堵车问题的；

二，ARP 是通过吼的方式来寻找目标 MAC 地址的，吼完之后记住一段时间，这个叫作缓存；

三，交换机是有 MAC 地址学习能力的，学完了它就知道谁在哪儿了，不用广播了。

如果一个局域网里面有多个交换机，ARP 广播的模式会出现什么问题呢？
ARP广播在局域网中的传播过程，若处理不当，可能引发严重问题。具体来说，当一个ARP广播包从某一端口进入交换机A后，A会将其转发至除接收端口外的所有其他端口。若该数据包随后通过网络路径到达交换机B，B同样会将其复制并广播至其所有端口，以此类推。
尤为值得关注的是，若局域网中存在环路，这些广播包可能会再次回到它们最初经过的交换机，如交换机A。在这种情况下，A会误以为这是新的广播请求，并再次将其复制并广播出去。这一过程将不断重复，导致广播包的数量呈指数级增长，最终可能耗尽网络带宽，造成广播风暴。
为了避免这种情况，需要采取相应措施，如划分VLAN、启用STP等，以有效限制广播包的传播范围，并防止环路的出现。

交换机与VLAN

上文中说道多个交换机可能有环路的问题，那么如何解决环路问题，就要了解生成树协议。

生成树协议

生成树协议（Spanning Tree Protocol，简称STP）是用于以太网交换机网络中的一种链路管理协议，主要作用是防止网络中出现环路（Loop）。在局域网中，为了提高网络的可靠性，通常会设计冗余的网络拓扑结构。然而，冗余链路可能导致广播风暴、MAC地址表频繁更新等问题，从而影响网络的正常通信。STP通过生成一个无环的树形拓扑，确保网络中不存在环路，保证数据帧的正确传输。
一、STP的基本原理
STP的核心思想是通过在网络中选举出一个根桥（Root Bridge），然后根据一定的算法计算每个交换机到达根桥的最短路径，进而决定哪些端口需要阻塞，哪些端口可以转发数据，从而形成一个无环的树形结构。

二、关键概念
桥ID（Bridge ID）：用于标识每个交换机，由桥优先级（Bridge Priority）和MAC地址组成。桥ID = 桥优先级 + MAC地址。

根桥（Root Bridge）：整个网络中桥ID最小的交换机，被选举为根桥。

路径开销（Path Cost）：链路的带宽成本值，表示从一个交换机到根桥的开销，带宽越高，路径开销越低。

端口角色：

根端口（Root Port）：非根桥上通向根桥路径开销最小的端口。
指定端口（Designated Port）：在每个网络段上负责转发数据的端口。
非指定端口（Non-designated Port）：需要被阻塞的端口，防止环路的产生。
BPDU（Bridge Protocol Data Unit）：STP使用的协议数据单元，交换机通过交换BPDU来传递有关根桥、路径开销等信息。

三、STP的工作流程
根桥选举：

所有交换机都认为自己是根桥，并向邻居发送BPDU。
比较桥ID，桥ID最小的交换机被选举为根桥。
计算路径开销：

每个交换机计算自己到根桥的路径开销。
路径开销 = 接口开销 + 上游交换机的路径开销。
选择根端口：

每个非根桥选择一个到达根桥路径开销最小的端口作为根端口。
如果路径开销相同，依次比较发送BPDU的桥ID、端口优先级和端口号。
选择指定端口：

在每个网络段上，选出一个具有最低路径开销的端口作为指定端口。
指定端口负责转发该网络段上的数据帧。
阻塞非指定端口：

除根端口和指定端口外的其他端口被设置为阻塞状态，不参与数据转发。

VLAN

如何解决广播问题和安全问题？
你可能会想到划分vlan,通过将物理网络划分为多个逻辑的VLAN，每个VLAN成为独立的广播域。
使用 VLAN，一个交换机上会连属于多个局域网的机器，那交换机怎么区分哪个机器属于哪个局域网呢？

我们只需要在原来的二层的头上加一个 TAG，里面有一个 VLAN ID，一共 12 位。为什么是 12 位呢？因为 12 位可以划分 4096 个 VLAN。如果我们买的交换机是支持 VLAN 的，当这个交换机把二层的头取下来的时候，就能够识别这个 VLAN ID。这样只有相同 VLAN 的包，才会互相转发，不同 VLAN 的包，是看不到的。这样广播问题和安全问题就都能够解决了。

有人会问交换机之间怎么连接呢？将两个交换机连接起来的口应该设置成什么 VLAN 呢？对于支持 VLAN 的交换机，有一种口叫作Trunk 口。它可以转发属于任何 VLAN 的口。交换机之间可以通过这种口相互连接。

ICMP与ping

ICMP 协议的格式

ICMP 报文是封装在 IP 包里面的。因为传输指令的时候，肯定需要源地址和目标地址。它本身非常简单

ICMP 报文有很多的类型，不同的类型有不同的代码。最常用的类型是主动请求为 8，主动请求的应答为 0。
常用 ICMP 工具

• Ping

发送回显请求（Type 8），接收回显应答（Type 0）。
用于测试目标主机的可达性和往返时间。

• Traceroute

利用 ICMP 超时报文（Type 11）逐跳探测路径。
通过逐步增加 IP 数据包的 TTL 值，触发中间路由器返回超时报文，记录路径信息
查询报文类型
常用的ping 就是查询报文，是一种主动请求，并且获得主动应答的 ICMP 协议。所以，ping 发的包也是符合 ICMP 协议格式的，只不过它在后面增加了自己的格式。对 ping 的主动请求，进行网络抓包，称为ICMP ECHO REQUEST。同理主动请求的回复，称为ICMP ECHO REPLY。比起原生的 ICMP，这里面多了两个字段，一个是标识符。在选项数据中，ping 还会存放发送请求的时间值，来计算往返时间，说明路程的长短。
差错报文类型
几个 ICMP 差错报文的例子：
3 目标不可达（Destination Unreachable） 根据具体情况而定 表示目标主机、端口或网络不可达。
4 源抑制（Source Quench，已废弃） 0 表示接收方流量过载，请求发送方降低发送速率。
5 重定向（Redirect） 根据重定向原因而定 指示发送方应将流量发送到另一个网关。
11 超时（Time Exceeded） 0 或 1 数据包在网络中超过生存时间（TTL）或分段重组超时。
12 参数问题（Parameter Problem） 0 或 1 数据包头部存在问题，如字段无效或选项错误。

网关

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，服务类型 TOS，生存时间TTL ，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，那就没网关什么事情，直接将源地址和目标地址放入 IP 头中，然后通过 ARP 获得 MAC 地址，将源 MAC 和目的 MAC 放入 MAC 头中，发出去就可以了。

如果不是同一网段，就需要发往默认网关 Gateway。Gateway 的地址一定是和源 IP 地址是一个网段的。往往不是第一个，就是第二个。例如 192.168.1.0/24 这个网段，Gateway 往往会是 192.168.1.1/24 或者 192.168.1.2/24。
如何发往默认网关呢？网关不是和源 IP 地址是一个网段的么？这个过程就和发往同一个网段的其他机器是一样的：将源地址和目标 IP 地址放入 IP 头中，通过 ARP 获得网关的 MAC 地址，将源 MAC 和网关的 MAC 放入 MAC 头中，发送出去。网关所在的端口，例如 192.168.1.1/24 将网络包收进来，然后接下来怎么做，就完全看网关的了。
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？前面也说过了，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。
很多情况下，人们把网关就叫作路由器。其实不完全准确，而另一种比喻更加恰当：路由器是一台设备，它有五个网口或者网卡，相当于有五只手，分别连着五个局域网。每只手的 IP 地址都和局域网的 IP 地址相同的网段，每只手都是它握住的那个局域网的网关。
任何一个想发往其他局域网的包，都会到达其中一只手，被拿进来，拿下 MAC 头和 IP 头，看看，根据自己的路由算法，选择另一只手，加上 IP 头和 MAC 头，然后扔出去。

静态路由是什么？

这个时候，问题来了，该选择哪一只手？IP 头和 MAC 头加什么内容，哪些变、哪些不变呢？这个问题比较复杂，大致可以分为两类，一个是静态路由，一个是动态路由。我们先说静态路由。

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。
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。
“欧洲十国游”型

服务器 A 要访问服务器 B。首先，服务器 A 会思考，192.168.4.101 和我不是一个网段的，因而需要先发给网关。那网关是谁呢？已经静态配置好了，网关是 192.168.1.1。网关的 MAC 地址是多少呢？发送 ARP 获取网关的 MAC 地址，然后发送包。包的内容是这样的：

源 MAC：服务器 A 的 MAC

目标 MAC：192.168.1.1 这个网口的 MAC

源 IP：192.168.1.101

目标 IP：192.168.4.101

包到达 192.168.1.1 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。

在路由器 A 中配置了静态路由之后，要想访问 192.168.4.0/24，要从 192.168.56.1 这个口出去，下一跳为 192.168.56.2。

于是，路由器 A 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.56.1 这个口发出去，发给 192.168.56.2，那 192.168.56.2 的 MAC 地址是多少呢？路由器 A 发送 ARP 获取 192.168.56.2 的 MAC 地址，然后发送包。包的内容是这样的：

源 MAC：192.168.56.1 的 MAC 地址

目标 MAC：192.168.56.2 的 MAC 地址

源 IP：192.168.1.101

目标 IP：192.168.4.101

包到达 192.168.56.2 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。

在路由器 B 中配置了静态路由，要想访问 192.168.4.0/24，要从 192.168.4.1 这个口出去，没有下一跳了。因为我右手这个网卡，就是这个网段的，我是最后一跳了。

于是，路由器 B 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.4.1 这个口发出去，发给 192.168.4.101。那 192.168.4.101 的 MAC 地址是多少呢？路由器 B 发送 ARP 获取 192.168.4.101 的 MAC 地址，然后发送包。包的内容是这样的：

源 MAC：192.168.4.1 的 MAC 地址

目标 MAC：192.168.4.101 的 MAC 地址

源 IP：192.168.1.101

目标 IP：192.168.4.101

包到达服务器 B，MAC 地址匹配，将包收进来。

通过这个过程可以看出，每到一个新的局域网，MAC 都是要变的，但是 IP 地址都不变。在 IP 头里面，不会保存任何网关的 IP 地址。所谓的下一跳是，某个 IP 要将这个 IP 地址转换为 MAC 放入 MAC 头。
之所以将这种模式比喻称为欧洲十国游，是因为在整个过程中，IP 头里面的地址都是不变的。IP 地址在三个局域网都可见，在三个局域网之间的网段都不会冲突。在三个网段之间传输包，IP 头不改变。这就像在欧洲各国之间旅游，一个签证就能搞定。 

“玄奘西行”型
我们再来看“玄奘西行”型。

这里遇见的第一个问题是，局域网之间没有商量过，各定各的网段，因而 IP 段冲突了。最左面大唐的地址是 192.168.1.101，最右面印度的地址也是 192.168.1.101，如果单从 IP 地址上看，简直是自己访问自己，其实是大唐的 192.168.1.101 要访问印度的 192.168.1.101。

怎么解决这个问题呢？既然局域网之间没有商量过，你们各管各的，那到国际上，也即中间的局域网里面，就需要使用另外的地址。就像出国，不能用咱们自己的身份证，而要改用护照一样，玄奘西游也要拿着专门取经的通关文牒，而不能用自己国家的身份证。

首先，目标服务器 B 在国际上要有一个国际的身份，我们给它一个 192.168.56.2。在网关 B 上，我们记下来，国际身份 192.168.56.2 对应国内身份 192.168.1.101。凡是要访问 192.168.56.2，都转成 192.168.1.101。

于是，源服务器 A 要访问目标服务器 B，要指定的目标地址为 192.168.56.2。这是它的国际身份。服务器 A 想，192.168.56.2 和我不是一个网段的，因而需要发给网关，网关是谁？已经静态配置好了，网关是 192.168.1.1，网关的 MAC 地址是多少？发送 ARP 获取网关的 MAC 地址，然后发送包。包的内容是这样的：

源 MAC：服务器 A 的 MAC

目标 MAC：192.168.1.1 这个网口的 MAC

源 IP：192.168.1.101

目标 IP：192.168.56.2

包到达 192.168.1.1 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。

在路由器 A 中配置了静态路由：要想访问 192.168.56.2/24，要从 192.168.56.1 这个口出去，没有下一跳了，因为我右手这个网卡，就是这个网段的，我是最后一跳了。

于是，路由器 A 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.56.1 这个口发出去，发给 192.168.56.2。那 192.168.56.2 的 MAC 地址是多少呢？路由器 A 发送 ARP 获取 192.168.56.2 的 MAC 地址。

当网络包发送到中间的局域网的时候，服务器 A 也需要有个国际身份，因而在国际上，源 IP 地址也不能用 192.168.1.101，需要改成 192.168.56.1。发送包的内容是这样的：

源 MAC：192.168.56.1 的 MAC 地址

目标 MAC：192.168.56.2 的 MAC 地址

源 IP：192.168.56.1

目标 IP：192.168.56.2

包到达 192.168.56.2 这个网口，发现 MAC 一致，将包收进来，开始思考往哪里转发。

路由器 B 是一个 NAT 网关，它上面配置了，要访问国际身份 192.168.56.2 对应国内身份 192.168.1.101，于是改为访问 192.168.1.101。

在路由器 B 中配置了静态路由：要想访问 192.168.1.0/24，要从 192.168.1.1 这个口出去，没有下一跳了，因为我右手这个网卡，就是这个网段的，我是最后一跳了。

于是，路由器 B 思考的时候，匹配上了这条路由，要从 192.168.1.1 这个口发出去，发给 192.168.1.101。

那 192.168.1.101 的 MAC 地址是多少呢？路由器 B 发送 ARP 获取 192.168.1.101 的 MAC 地址，然后发送包。内容是这样的：

源 MAC：192.168.1.1 的 MAC 地址

目标 MAC：192.168.1.101 的 MAC 地址

源 IP：192.168.56.1

目标 IP：192.168.1.101

包到达服务器 B，MAC 地址匹配，将包收进来。

从服务器 B 接收的包可以看出，源 IP 为服务器 A 的国际身份，因而发送返回包的时候，也发给这个国际身份，由路由器 A 做 NAT，转换为国内身份。

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。

其实这第二种方式我们经常见，现在大家每家都有家用路由器，家里的网段都是 192.168.1.x，所以你肯定访问不了你邻居家的这个私网的 IP 地址的。所以，当我们家里的包发出去的时候，都被家用路由器 NAT 成为了运营商的地址了。

很多办公室访问外网的时候，也是被 NAT 过的，因为不可能办公室里面的 IP 也是公网可见的，公网地址实在是太贵了，所以一般就是整个办公室共用一个到两个出口 IP 地址。你可以通过 https://www.whatismyip.com/ 查看自己的出口 IP 地址。

总结一下：

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；
经过路由器之后 MAC 头要变，如果 IP 不变，相当于不换护照的欧洲旅游，如果 IP 变，相当于换护照的玄奘西行。

路由协议

路由器就是一台网络设备，它有多张网卡。当一个入口的网络包送到路由器时，它会根据一个本地的转发信息库，来决定如何正确地转发流量。这个转发信息库通常被称为路由表。
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。

通过 route 命令和 ip route 命令都可以进行查询或者配置。

例如，我们设置 ip route add 10.176.48.0/20 via 10.173.32.1 dev eth0，就说明要去 10.176.48.0/20 这个目标网络，要从 eth0 端口出去，经过 10.173.32.1。

如何配置策略路由？

在真实的复杂的网络环境中，除了可以根据目的 ip 地址配置路由外，还可以根据多个参数来配置路由，这就称为策略路由。
可以配置多个路由表，可以根据源 IP 地址、入口设备、TOS 等选择路由表，然后在路由表中查找路由。这样可以使得来自不同来源的包走不同的路由。

ip rule add from 192.168.1.0/24 table 10 
ip rule add from 192.168.2.0/24 table 20

表示从 192.168.1.10/24 这个网段来的，使用 table 10 中的路由表，而从 192.168.2.0/24 网段来的，使用 table20 的路由表。
在一条路由规则中，也可以走多条路径。例如，在下面的路由规则中：

ip route add default scope global nexthop via 100.100.100.1 weight 1 nexthop via 200.200.200.1 weight 2

下一跳有两个地方，分别是 100.100.100.1 和 200.200.200.1，权重分别为 1 比 2。

动态路由算法

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。

这个算法比较简单，但是还是有问题。

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。

第二个问题是，每次发送的时候，要发送整个全局路由表。网络大了，谁也受不了，所以最早的路由协议 RIP 就是这个算法。它适用于小型网络（小于 15 跳）。当网络规模都小的时候，没有问题。现在一个数据中心内部路由器数目就很多，因而不适用了。

所以上面的两个问题，限制了距离矢量路由的网络规模。
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。

动态路由协议

1. 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。这个在后面我们讲数据中心的网络的时候，一般应用的接入层会有负载均衡 LVS。它可以和 OSPF 一起，实现高吞吐量的接入层设计。

2. 基于距离矢量路由算法的 BGP
外网路由协议（Border Gateway Protocol，简称BGP）。

在一个国家内部，有路当然选近的走。但是国家之间，不光远近的问题，还有政策的问题。例如，唐僧去西天取经，有的路近。但是路过的国家看不惯僧人，见了僧人就抓。例如灭法国，连光头都要抓。这样的情况即便路近，也最好绕远点走。

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。这就好比，虽然从我家里到目的地最近，但是不能谁都能从我家走啊！

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。

每个自治系统都有边界路由器，通过它和外面的世界建立联系。

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。

路由分静态路由和动态路由，静态路由可以配置复杂的策略路由，控制转发策略；

动态路由主流算法有两种，距离矢量算法和链路状态算法。基于两种算法产生两种协议，BGP 协议和 OSPF 协议。

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