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《Linux高性能服务器编程》——2.4 IP路由

简介: 本节书摘来自华章计算机《Linux高性能服务器编程》一书中的第2章,第2.4节,作者 游双,更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

2.4 IP路由

IP协议的一个核心任务是数据报的路由,即决定发送数据报到目标机器的路径。为了理解IP路由过程,我们先简要分析IP模块的基本工作流程。

2.4.1 IP模块工作流程

IP模块基本工作流程如图2-3所示。

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我们从右往左来分析图2-3。当IP模块接收到来自数据链路层的IP数据报时,它首先对该数据报的头部做CRC校验,确认无误之后就分析其头部的具体信息。

如果该IP数据报的头部设置了源站选路选项(松散源路由选择或严格源路由选择),则IP模块调用数据报转发子模块来处理该数据报。如果该IP数据报的头部中目标IP地址是本机的某个IP地址,或者是广播地址,即该数据报是发送给本机的,则IP模块就根据数据报头部中的协议字段来决定将它派发给哪个上层应用(分用)。如果IP模块发现这个数据报不是发送给本机的,则也调用数据报转发子模块来处理该数据报。

数据报转发子模块将首先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,数据报转发子模块将对该数据报执行一些操作,然后将它交给IP数据报输出子模块。我们将在后面讨论数据报转发的具体过程。

IP数据报应该发送至哪个下一跳路由(或者目标机器),以及经过哪个网卡来发送,就是IP路由过程,即图2-3中“计算下一跳路由”子模块。IP模块实现数据报路由的核心数据结构是路由表。这个表按照数据报的目标IP地址分类,同一类型的IP数据报将被发往相同的下一跳路由器(或者目标机器)。我们将在后面讨论IP路由过程。

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数据报外,还包括封装了本机上层数据(ICMP报文、TCP报文段和UDP数据报)的IP数据报。

图2-3中的虚线箭头显示了路由表更新的过程。这一过程是指通过路由协议或者route命令调整路由表,使之更适应最新的网络拓扑结构,称为IP路由策略。我们将在后面简单讨论它。

2.4.2 路由机制

要研究IP路由机制,需要先了解路由表的内容。我们可以使用route命令或netstat命令查看路由表。在测试机器ernest-laptop上执行route命令,输出内容如代码清单2-2所示。

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该路由表包含两项,每项都包含8个字段,如表2-2所示。

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代码清单2-2所示的路由表中,第一项的目标地址是default,即所谓的默认路由项。该项包含一个“G”标志,说明路由的下一跳目标是网关,其地址是192.168.1.1(这是测试网络中路由器的本地IP地址)。另外一个路由项的目标地址是192.168.1.0,它指的是本地局域网。该路由项的网关地址为*,说明数据报不需要路由中转,可以直接发送到目标机器。

那么路由表是如何按照IP地址分类的呢?或者说给定数据报的目标IP地址,它将匹配路由表中的哪一项呢?这就是IP的路由机制,分为3个步骤:

1)查找路由表中和数据报的目标IP地址完全匹配的主机IP地址。如果找到,就使用该路由项,没找到则转步骤2。

2)查找路由表中和数据报的目标IP地址具有相同网路ID的网络IP地址(比如代码清单2-2所示的路由表中的第二项)。如果找到,就使用该路由项;没找到则转步骤3。

3)选择默认路由项,这通常意味着数据报的下一跳路由是网关。

因此,对于测试机器ernest-laptop而言,所有发送到IP地址为192.168.1.*的机器的IP数据报都可以直接发送到目标机器(匹配路由表第二项),而所有访问因特网的请求都将通过网关来转发(匹配默认路由项)。

2.4.3 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。我们看如下几个例子(在机器ernest-laptop上执行):

$ sudo route add –host 192.168.1.109 dev eth0
$ sudo route del -net 192.168.1.0 netmask 255.255.255.0
$ sudo route del default
$ sudo route add default gw 192.168.1.109 dev eth0

第1行表示添加主机192.168.1.109(机器Kongming20)对应的路由项。这样设置之后,所有从ernest-laptop发送到Kongming20的IP数据报将通过网卡eth0直接发送至目标机器的接收网卡。第2行表示删除网络192.168.1.0对应的路由项。这样,除了机器Kongming20外,测试机器ernest-laptop将无法访问该局域网上的任何其他机器(能访问到Kongming20是由于执行了上一条命令)。第3行表示删除默认路由项,这样做的后果是无法访问因特网。第4行表示重新设置默认路由项,不过这次其网关是机器Kongming20(而不是能直接访问因特网的路由器)!经过上述修改后的路由表如下:

Kernel IP routing table
Destination   Gateway       Genmask           Flags   Metric   Ref  Use Iface
Kongming20    *             255.255.255.255   UH      0        0    0   eth0
default       Kongming20    0.0.0.0           UG      0        0    0   eth0

这个新的路由表中,第一个路由项是主机路由项,所以它被设置了“H”标志。我们设计这样一个路由表的目的是为后文讨论ICMP重定向提供环境。

通过route命令或其他工具手工修改路由表,是静态的路由更新方式。对于大型的路由器,它们通常通过BGP(Border Gateway Protocol,边际网关协议)、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。这部分内容超出了本书的讨论范围,感兴趣的读者可阅读参考资料1。

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