專家答疑：深入理解IP路由選擇過程
IP路由選擇，是思科網(wǎng)絡工程師必須要了解的一個基礎(chǔ)知識。其實，IP路由并沒有大家想的那么復雜。筆者在這篇文章中，將通過一個案例，來幫助大家深入了解IP路由的選擇過程。希望這篇文章能夠幫助大家掃清IP路由選擇上的一些誤區(qū)。
如下圖，現(xiàn)在這么一個網(wǎng)絡。主機甲與主機乙分別在兩個不同的網(wǎng)段上，中間通過路由器進行連接。現(xiàn)在假設主機甲要跟主機乙進行通信，那么主機甲如何才能夠找到主機乙的位置呢?筆者現(xiàn)在就通過這個例子，跟大家詳細解釋IP路由選擇的整個過程。在這里，筆者以Cisco的路由器為例進行介紹。
假設現(xiàn)在主機甲的用戶利用Ping命令，來確認主機乙的連通性問題。這個網(wǎng)絡架構(gòu)雖然比較簡單，但是其路由選擇過程的步驟則是一步不缺的。主要通過如下步驟：
第一步：當用戶在主機甲上輸入PING 172.168.80.8之后，主機甲中有一個因特網(wǎng)控制報文協(xié)議，英文簡稱為ICMP。這個協(xié)議將創(chuàng)建一個回應請求數(shù)據(jù)包，在它的數(shù)據(jù)域中只包含有字母。
第二步：英特網(wǎng)控制報文協(xié)議會將這個有效負荷(即剛創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包)交給因特網(wǎng)協(xié)議(英文簡稱IP)。然后這個因特網(wǎng)協(xié)議也會創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)包。在這個英特網(wǎng)協(xié)議創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包中，所包含的內(nèi)容要比因特網(wǎng)控制報文協(xié)議所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包豐富的多。在這個包中包括主機甲的IP地址、目的地主機已的IP地址以及值為01h的協(xié)議字段。當數(shù)據(jù)包到達主機乙時，這些內(nèi)容就是告訴對方，應該將這個有效負荷交給因特網(wǎng)控制報文協(xié)議來處理。
第三步：IP協(xié)議會判斷目的IP地址是屬于遠程網(wǎng)絡，還是在本地網(wǎng)絡。由于根據(jù)IP地址規(guī)劃規(guī)則，主機甲與主機已是屬于不同的網(wǎng)絡。此時，剛才英特網(wǎng)協(xié)議(IP)所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包將會被發(fā)送到默認的網(wǎng)關(guān)中去。在主機甲的網(wǎng)絡屬性配置中，除了有自身的邏輯IP地址，還有默認的網(wǎng)關(guān)地址。網(wǎng)關(guān)地址就是用來不同網(wǎng)絡之間的主機進行通信的一扇門。只有通過網(wǎng)關(guān)，主機甲的數(shù)據(jù)包才能夠被發(fā)送到不同網(wǎng)絡的主機乙中。
第四步：確認路由器相應接口的MAC地址。假設主機甲(IP地址為172.168.60.6)的默認網(wǎng)關(guān)被配置為172.168.60.1。若主機甲的數(shù)據(jù)包要發(fā)送到這個默認網(wǎng)關(guān)上，則就必須知道其對應的路由器接口的物理地址，即MAC地址。因為只有如此，數(shù)據(jù)包才能夠被傳遞到更下一層的數(shù)據(jù)鏈路層并根據(jù)一定的規(guī)則生成幀。然后主機甲才能夠把數(shù)據(jù)包發(fā)送給172.168.60.0網(wǎng)絡連接的路由器接口。在本地局域網(wǎng)上，主機只可以通過硬件地址來相互之間進行通信。所以當主機甲要把數(shù)據(jù)包發(fā)送給特定的網(wǎng)關(guān)時，必須要知道這個網(wǎng)關(guān)所對應的MAC地址。這一個過程是不可避免的。為了達到這個目的，主機甲首先會檢查自己的ARP緩存，查看一個默認網(wǎng)關(guān)的IP地址是否已經(jīng)解析為對應接口的硬件地址。如果在ARP緩存表中已經(jīng)有對應的記錄，表示已經(jīng)被成功解析。此時，數(shù)據(jù)包將會被釋放并傳遞到數(shù)據(jù)鏈路層并生成幀。其中目的方的硬件地址也將同數(shù)據(jù)包一起下傳到數(shù)據(jù)鏈路層。通常情況下，在主機甲上，可以通過ARP命令來查看主機當前的IP地址與MAC地址的對應表。如下圖。筆者現(xiàn)在電腦所設置的默認網(wǎng)關(guān)為192.168.0.254，后面的16位字符就是默認網(wǎng)關(guān)所對應的硬件地址。
第五步：生成幀。當這個數(shù)據(jù)包和目的方的硬件地址被傳遞給數(shù)據(jù)鏈路層之后，局域網(wǎng)驅(qū)動器將用來提供媒體訪問服務，以通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。一個數(shù)據(jù)幀即將產(chǎn)生，使用一些控制信息來封裝這個數(shù)據(jù)包。在這個數(shù)據(jù)幀中會包含有目的方和源方的硬件地址。以及以太網(wǎng)類型字段。這個以太網(wǎng)類型字段主要用來描述的是交付這個數(shù)據(jù)包島數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡層協(xié)議。在這個幀的結(jié)尾，是一種被稱作為幀校驗序列的字段，它是裝載循環(huán)冗余校驗計算值的區(qū)域。也就是說，在這個幀中，主要包括目的MAC地址(對應路由器接口的MAC地址)、源MAC地址(主機甲的MAC地址)、以太網(wǎng)類型字段、數(shù)據(jù)包、幀校驗序列五部分內(nèi)容。注意，這里指的目的地址并不是主機乙的地址，而是里主機甲最近的默認網(wǎng)關(guān)地址。在第一次通信時，主機甲并不知道主機乙的MAC地址。一旦完成幀的封裝，則這個幀將會被交付到物理層。如果企業(yè)網(wǎng)絡是利用雙絞線組建的話，則將會以一次一位的方式發(fā)往物理媒體。#p#
以上五個步驟主要都是在主機甲上完成。這五個步驟執(zhí)行完畢之后，IP路由選擇過過程的前期工作就算完成了。接下來的就要看路由器的表演了。
第六步：在主機甲所在的沖突域中的每臺網(wǎng)絡設備都將接收這些位并重新合并成數(shù)據(jù)幀。接收完畢后，他們會運行CRC過程并核對保存在幀校驗序列字段中的內(nèi)容。如果這兩個值不匹配的話，則這個幀將會被丟棄。如果兩個值相同(主機甲的默認網(wǎng)關(guān)，即緊鄰主機甲的路由器接口)，則網(wǎng)絡設備會接收這個幀，并核查目的方的硬件地址，檢查他們是否也匹配。如果目的方的硬件地址也是匹配的，那么路由器將會查看這個幀的以太網(wǎng)類型字段，以了解在網(wǎng)絡層上采用了什么協(xié)議，然后路由器就會抽出幀中的數(shù)據(jù)包，把其余部分內(nèi)容丟棄。然后把抽出來的數(shù)據(jù)包傳送給以太網(wǎng)類型字段中列出的上層協(xié)議，如英特網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議(IP)等等。
第七步：判斷路由表項目。英特網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議(IP)會接收這個數(shù)據(jù)包，并檢查目的IP地址。在這個案例中，由于數(shù)據(jù)包中的目的地址與接收路由器所配置的任何地址都不相匹配。此時，路由器就會在自己的路由表中，查看目的IP網(wǎng)絡的地址。在這個案例中，由于路由器同時連接著172.16.80.0的網(wǎng)絡。所以在這個路由器的路由表中，有相關(guān)的紀錄。若沒有記錄的話，則這個數(shù)據(jù)包會被直接丟棄。若路由器丟棄數(shù)據(jù)包的話，則會發(fā)送一個“目標地址不可達”的錯誤信息給主機甲。
第八步：路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。如果路由器的確在他的路由表中找到了相應網(wǎng)絡的記錄，則數(shù)據(jù)包就會被轉(zhuǎn)發(fā)到輸出接口。在本例中，就是主機乙所連接的接口。路由器會將這個數(shù)據(jù)包交換到對應接口的緩沖區(qū)內(nèi)。
第九步：緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的處理。路由器對應接口的緩沖區(qū)需要了解目的方主機的硬件地址。因為這個數(shù)據(jù)包中已經(jīng)有目的方的IP地址，所以，路由器會先檢查ARP緩存表。如果主機甲的硬件地址已經(jīng)被解析并保存在路由器的ARP緩沖中，則這個數(shù)據(jù)包和這個硬件地址將被傳遞到數(shù)據(jù)鏈路層以便重新生成幀。通常情況下，若路由器以前跟主機乙通信過的話，則這個IP地址與MAC地址的對應記錄將會在思科路由器ARP緩沖表中保存四個小時。連續(xù)四個小時沒有通信的話，則這個對應的記錄將會被刪除。如果在路由器的ARP緩沖表中沒有相關(guān)記錄的話，則路由器接口會在其連接的網(wǎng)絡內(nèi)部，發(fā)送一個ARP請求。這個ARP請求就像一個廣播，誰我現(xiàn)在需要知道IP地址為172.12.80.8的MAC地址。此時。其他網(wǎng)絡設備發(fā)現(xiàn)自己不是這個IP地址，就會拋棄這個包。而主機乙發(fā)現(xiàn)有人在問自己的MAC地址，就會進行響應。告訴路由器，我的IP地址就是這個，我的MAC地址是多少。路由器知道目的主機乙的MAC地址之后，就會把數(shù)據(jù)包連同目的方的MAC地址傳遞到下一層的數(shù)據(jù)鏈路中。
第十步：路由器會重復上面的第五步操作，生成數(shù)據(jù)幀。并傳送到物理層，以一次一位的方式再發(fā)送到物理媒體上。在網(wǎng)絡中進行傳輸。
在路由器上的工作也完成。通過以上的分析，我們可以看到，路由器的作用主要就是進行數(shù)據(jù)交換。把其收到的數(shù)據(jù)包根據(jù)一定的規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)到另一個可達的接口上。路由器就好像是一個十字路口，各個數(shù)據(jù)包都根據(jù)自己所需要到達的目的地，現(xiàn)在合適的出口。
第十一步：主機乙會接收到這個數(shù)據(jù)幀并運行CRC過程。如果運算結(jié)果與幀校驗序列中字段的內(nèi)容相同，則這個幀中目的方的MAC地址將會被讀取。主機乙會判斷這個MAC地址是否跟自己的MAC地址相同。若相同的話，則會抽取其中的數(shù)據(jù)包，并根據(jù)以太網(wǎng)字段類型中指定的協(xié)議，把數(shù)據(jù)包傳遞給相應的協(xié)議處理。由于這個案例中，數(shù)據(jù)包中是一個回應請求。主機乙就會把這個數(shù)據(jù)包交給ICMP協(xié)議處理。ICMP協(xié)議會應答這個請求，同時把這個數(shù)據(jù)包丟棄并迅速生成一個新的有效負荷來作為回應應答。然后主機乙會利用同樣的過程把數(shù)據(jù)包以及目的MAC地址(路由器對應接口的物理地址)傳遞到下一層，讓其生成幀。在數(shù)據(jù)幀上，會帶有目的MAC地址、源MAC地址、數(shù)據(jù)包、以太網(wǎng)字段類型、幀校驗序列字段等內(nèi)容發(fā)送到下一層。然后再一位位的傳送到物理媒體。
第十二步：路由器再重復第六步到第十步的過程，把數(shù)據(jù)包從一個接口交換傳遞到另一個接口中。然后主機甲就收到一個回應信息，表示到主機乙的道路是通的。
以上這個十二個步驟就完成了IP路由選擇的全部過程。再復雜的網(wǎng)絡，也只是中間多了幾個節(jié)點，多重復了幾個步驟而已。網(wǎng)絡管理員了解了這個IP路由選擇的過程，那么在日后網(wǎng)絡故障的排查中，會更加的得心應手。
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