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网关，路由，其实我们每个人上网都是需要的，但是具体的原理是不是得安排下。 重学网络系列之（HTTP的前世今生） 重学网络系列之（我的名字叫IP) 人生一世，如镜花水月，今朝姹紫嫣红，明日已成梦幻泡影。与其追忆故园芳菲，莫不如放下繁华，重觅一片竹海。一支瘦笛，一曲笑傲江湖。一弯冷月，一肩千古情仇。 ICMP和Ping 基本上我们都碰到过网络连不上的问题，那台机器明明就在那里，你甚至都可以通过机器的终端连上去看。它看着好好的，可是就是连不上去，究竟是哪里出了问题呢 一般来说我们都会想到用Ping，那你知道Ping是如何工作的吗？ ping是基于ICMP协议工作的。ICMP全称InternetControlMessageProtocol，就是互联网控制报文协议。这里面的关键词是“控制”，那具体是怎么控制的呢？ ICMP协议是一个网络层协议。 一个新搭建好的网络，往往需要先进行一个简单的测试，来验证网络是否畅通；但是IP协议并不提供可靠传输。如果丢包了，IP协议并不能通知传输层是否丢包以及丢包的原因。所以我们就需要一种协议来完成这样的功能–ICMP协议。 ICMP协议的功能 确认IP包是否成功到达目标地址 通知在发送过程中IP包被丢弃的原因 我们需要注意几点： ICMP是基于IP协议工作的，但是它并不是传输层的功能，因此仍然把它归结为网络层协议 ICMP只能搭配IPv4使用，如果是IPv6的情况下,需要是用ICMPv6 ICMP协议的格式 ICMP报文包含在IP数据报中，IP报头在ICMP报文的最前面。一个ICMP报文包括IP报头（至少20字节）、ICMP报头（至少八字节）和ICMP报文（属于ICMP报文的数据部分）。当IP报头中的协议字段值为1时，就说明这是一个ICMP报文。ICMP报头如下图所示。  点击加载图片 ping的发送和接收过程。  点击加载图片 假定主机A的IP地址是192.168.1.1，主机B的IP地址是192.168.1.2，它们都在同一个子网。那当你在主机A上运行“ping192.168.1.2”后，会发生什么呢? ping命令执行的时候，源主机首先会构建一个ICMP请求数据包，ICMP数据包内包含多个字段。最重要的是两个，第一个是类型字段，对于请求数据包而言该字段为8；另外一个是顺序号，主要用于区分连续ping的时候发出的多个数据包。每发出一个请求数据包，顺序号会自动加1。为了能够计算往返时间RTT，它会在报文的数据部分插入发送时间。 然后，由ICMP协议将这个数据包连同地址192.168.1.2一起交给IP层。IP层将以192.168.1.2作为目的地址，本机IP地址作为源地址，加上一些其他控制信息，构建一个IP数据包。 接下来，需要加入MAC头。如果在本节ARP映射表中查找出IP地址192.168.1.2所对应的MAC地址，则可以直接使用；如果没有，则需要发送ARP协议查询MAC地址，获得MAC地址后，由数据链路层构建一个数据帧，目的地址是IP层传过来的MAC地址，源地址则是本机的MAC地址；还要附加上一些控制信息，依据以太网的介质访问规则，将它们传送出去。 主机B收到这个数据帧后，先检查它的目的MAC地址，并和本机的MAC地址对比，如符合，则接收，否则就丢弃。接收后检查该数据帧，将IP数据包从帧中提取出来，交给本机的IP层。同样，IP层检查后，将有用的信息提取后交给ICMP协议。 主机B会构建一个ICMP应答包，应答数据包的类型字段为0，顺序号为接收到的请求数据包中的顺序号，然后再发送出去给主机A。在规定的时候间内，源主机如果没有接到ICMP的应答包，则说明目标主机不可达；如果接收到了ICMP应答包，则说明目标主机可达。 MAC头和IP头的细节 一旦配置了IP地址和网关，往往就能够指定目标地址进行访问了。由于在跨网关访问的时候，牵扯到MAC地址和IP地址的变化，这里有必要详细描述一下MAC头和IP头的细节。  点击加载图片 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，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，例如，你访问你旁边的兄弟的电脑，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，例如，你要访问你们校园网里面的BBS，该怎么办？这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。 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。 结合下面的图  点击加载图片 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。 上面的过程遇到的问题 大家想想看哈，局域网之间没有商量过，各定各的网段，因而IP段冲突了，如下图  点击加载图片 最左面的地址是192.168.1.101，最右面的地址也是192.168.1.101，如果单从IP地址上看，简直是自己访问自己，其实是192.168.1.101要访问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，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： MAC：192.168.56.1的MAC地址 标MAC：192.168.56.2的MAC地址 IP：192.168.56.1 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 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NetworkAddressTranslation，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。 如何配置路由？ 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。 例如，我们设置iprouteadd10.176.48.0/20via10.173.32.1deveth0，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。 动态路由算法 在大学里面学习计算机网络与数据结构的时候，知道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 链路状态路由算法 结尾 问大家几个问题 当你访问www.taobao.com的时候，你发送的包需要通过NAT转换成公网ip，然后淘宝返回的数据又要从公网IP变成你的局域网IP,假设我局域网很多IP,他怎么知道哪个对应的是哪个 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。 这样就完整的实现了局域网主机上外网的功能。 当我们网络中的包在网络中传输的时候，目标mac地址和源mac地址的变化，目标ip和源Ip的变化。 这个答案在文章中。 参考 趣谈网络 ICMP作原理。 |
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