静态 IP 选路

一个简单的路由表

选路是 IP 层最重要的一个功能之一。前面的部分已经简单的讲过路由器是通过何种规则来根据 IP 数据包的 IP 地址来选择路由。 这里就不重复了。首先来看看一个简单的系统路由表：

对于一个给定的路由器,可以打印出五种不同的 flag：

•  U 表明该路由可用。
•  G 表明该路由是到一个网关。如果没有这个标志,说明和 Destination 是直连的,而相应的 Gateway 应该直接给出 Destination
• 的地址。
•  H 表明该路由是到一个主机,如果没有该标志,说明 Destination 是一个网络,换句话说 Destination 就应该写成一个网络号和
• 子网号的组合,而不包括主机号(主机号码处为0),例如 192.168.11.0
•  D 表明该路由是为重定向报文创建的
•  M 该路由已经被重定向报文修改

U 没啥可说的,G 说明这是一个网关,如果你要发数据给 Destination,IP 头应该写 Destination 的 IP 地址,而数据链路层的 MAC地址就应该是 GateWay 的 Mac 地址了;反之,如果没有 G 标志,那么数据链路层和 IP 层的地址应该是对应的。H 说明了 Destination 的 性质,如果是 H 的,则说明该地址是一个完整的地址,既有网络号又有主机号,那么再匹配的时候就既要匹配网络号,又要匹配主 机号;反 之,Destination 就代表一个网络,在匹配的时候只要匹配一下网络号就可以了。这样,IP 选路的方式就可以更加具体化了。如下：

•  首先用IP地址来匹配那些带H标志的DestinationIP地址。
•  如果1失败就匹配那些网络地址。
•  如果2失败就发送到Default网关

顺便提一下那个 GenMask(还记得子网掩码么),它指定了目的地址的子网号,例如第一条的子网就是11。

其他有关路由表的知识

一般,我们在配置好一个网络接口的时候,一个路由就被直接创建好了。当然我们也可以手动添加路由。用 route add 命令就可以了。而当一个 IP 包在某一个路由器的时候发现没有路由可走,那么该路由器就会给源主机发送“主机不可达”或者“网络不可达”的 ICMP包来报错。注意,一般的操作系统默认是没有路由功能的,这需要自己配置。这些历史原因就不细说了。

ICMP 的 IP 重定向报文和路由发现报文

当 IP 包在某一个地方转向的时候,都回给发送 IP 报的源主机一个 ICMP 重定向报文,而源主机就可以利用这个信息来更新自己的路由表,这样,随着网络通信的逐渐增多,路由表也就越来越完备,数据转发的速度也会越来越快。我们需要注意的是:

•  重定向报文只能由路由器发出。
•  重定向报文为主机所用,而不是为路由器所用。

在主机引导的时候,一般会发送在网内广播一个路由请求的 ICMP 报文,而多个路由器则会回应一个路由通告报文。而且,路由其本身不定期的在网络内发 布路由通告报文,这样,根据这些报文,每一个主机都会有机会建立自己的路由表而实现网络通信。路由 器在一份通告报文中可以通告多个地址,并且给出每一个地 址的优先等级,这个优先等级是该 IP 作为默认路由的等级,至于怎么算 的就不深究了。路由器一般会在450-600秒的时间间隔内发布一次通告,而一个给定的通告报文的寿命是30分钟。而主机在引导的时候会每三秒发 送一次请求报文,一旦接受到一个有效的通告报文,就停止发送请求报文。在 TCP/IP 详解编写的时候,只有 Solaris2.x 支持这两种报文,大多数系统还不支持这两种报文。(后面还会讲到一些有用的路由 报文)

动态选路协议

前面的选路方法叫做静态选路,简要地说就是在配置接口的时候,以默认的方式生成路由表项。并通过 route 来增加表项,或者 通过 ICMP 报文来更新表项(通常在默认方式出错的情况下)。 而如果上诉三种方法都不能满足,那么我们就使用动态选路。动态选路协议是用于动态选路的重要组成部分,但是他们只是使用在路由器之间,相邻路由器之间互相通信。系统(路有选择程 序)选择比较合适的路有放到 核心路由表中,然后系统就可以根据这个核心路有表找到最合适的网路。也就是说,动态选路是在系统 核心网络外部进行的,它只是用一些选路的策略影响路由表, 而不会影响到最后通过路由表选择路由的那一部分。选路协议有一大类 常用的叫做内部网关协议(IGP),而在 IGP 中,RIP 就是其中最重要的协议。一种新 的 IGP 协议叫做开放最短路经优先(OSPF)协议,其意在取代 RIP。另一种最早用在网路骨干网上的 IGP 协议--HELLO,现在已经不用了。如今,任何支持动态选路的路由器都必须同时支持 OSPF 和 RIP,还可以选择性的支持其他的 IGP 协议。

Unix 选路程序

Unix 系统上面通常都有路由守护程序--routed。还有一个叫做 gate。gate 所支持的协议要比 routed 多,routed 只是支持 RIPv1版本。而 gate 则支持 RIPv1、v2,BGPv1 等等。

RIP:选路信息协议

它的定义可以在 RFC1058内找到,这种协议使用 UDP 作为载体(也就是 UDP 的上层协议)。我们最关心的就是 RIP 其中的一个段,叫做度量的 段,这是一个以 hop 作为计数器(就是以走过多少路由为计数器)的段(IP 协议里面也有一个 TTL 不是么)。这个度 量段将最终影响到路由表的建立。参考图:

一般说来 routed 要承担如下的工作:

•  给每一个已知的路由器发送 rip 请求报文,要求其他路由器给出完整的路由表。这种报文的命令字段为1,地址字段为0,度量 地段为16(相当于无穷大)。
•  接受请求,如果接收到刚才的那个请求,就把自己的完整的路由表交给请求者。如果没有,就处理 IP 请求表项,把表项中自 己有的部分添上跳数,没有的部分添上16。然后发给请求者。
•  接受回应。更新自己的路由表。使用 hop 数小的规则。
•  定期更新路由表,一般是30s(真频繁)给相邻的路有启发一次自己的路由表。这种形式可以使广播形式的。

这个协议看起来会工作的很好,但是,这里面其实有很多隐藏的忧患,比如说 RIP 没有子网的概念,比如说环路的危险。而且 hop数的上限也限制了网络的大小。因此,出现了很多 RIPv1的替代品,比如说 RIPv2,比如说 OSPF。他们都是通过某种策略来影响路由表,所以就不说了。

UDP 简要介绍

UDP 是传输层协议,和 TCP 协议处于一个分层中,但是与 TCP 协议不同,UDP 协议并不提供超时重传,出错重传等功能,也就是说其是不可靠的协议。

UDP 协议头

UDP 端口号

由于很多软件需要用到 UDP 协议,所以 UDP 协议必须通过某个标志用以区分不同的程序所需要的数据包。端口号的功能就在于此,例如某一个 UDP 程序 A 在系统中注册了3000端口,那么,以后从外面传进来的目的端口号为3000的 UDP 包都会交给该程序。端 口号理论上可以有2^16这么多。因为它的长 度是16个 bit。

UDP 检验和

这是一个可选的选项,并不是所有的系统都对 UDP 数据包加以检验和数据(相对 TCP 协议的必须来说),但是 RFC 中标准要求, 发送端应该计算检验和。UDP 检验和覆盖 UDP 协议头和数据,这和 IP 的检验和是不同的,IP 协议的检验和只是覆盖 IP 数据头,并不覆盖所有的数据。 UDP 和 TCP 都包含 一个伪首部,这是为了计算检验和而摄制的。伪首部甚至还包含 IP 地址这样的 IP 协议里面都有的信息,目的是 让 UDP 两次检查数据是否已经正确到达目的地。 如果发送端没有打开检验和选项,而接收端计算检验和有差错,那么 UDP 数据将会 被悄悄的丢掉(不保证送达),而不产生任何差错报文。

UDP 长度

UDP 可以很长很长,可以有65535字节那么长。但是一般网络在传送的时候,一次一般传送不了那么长的协议(涉及到 MTU 的问 题),就只好对数据 分片,当然,这些是对 UDP 等上级协议透明的,UDP 不需要关心 IP 协议层对数据如何分片,下一个章节将会稍 微讨论一些分片的策略。

IP 分片

IP在从上层接到数据以后,要根据IP地址来判断从那个接口发送数据(通过选路),并进行MTU的查询,如果数据大小超过MTU 就进行数据分片。数 据的分片是对上层和下层透明,而数据也只是到达目的地还会被重新组装,不过不用担心,IP 层提供了足够的信 息进行数据的再组装。在 IP 头里面,16bit 识别号唯一记录了一个 IP 包的 ID,具有同一个 ID 的 IP 片将会被重新组装;而13位片偏移则记录了某 IP 片相对整个包的 位置;而这两个表示中间的3bit 标志则标示着该分片后面是否还有新的分片。这三个标示就组成了 IP 分片的所有信息,接 受方就可以利用这些信息对 IP 数据 进行重新组织(就算是后面的分片比前面的分片先到,这些信息也是足够了)。因为分片技术在网络上被经常的使用,所以伪造 IP 分片包进行流氓攻击的软件和人也就层出不穷。可以用 Trancdroute 程序来进行简单的 MTU 侦测。请参看教材。

UDP 和 ARP 之间的交互式用

这是不常被人注意到的一个细节,这是针对一些系统地实现来说的。当 ARP 缓存还是空的时候。UDP 在被发送之前一定要发送一个 ARP 请求来获得目的 主机的 MAC 地址,如果这个 UDP 的数据包足够大,大到 IP 层一定要对其进行分片的时候,想象中,该 UDP 数据包的第一个分片会发出一个 ARP 查询请求, 所有的分片都辉等到这个查询完成以后再发送。事实上是这样吗?结果是,某些系统会让每一个分片都发送一个 ARP 查询,所有的分片都在等待,但是接受到第一个回应的时候,主机却只发送了 最后一个数据片而抛弃了其 他,这实在是让人匪夷所思。这样,因为分片的数据不能被及时组装,接受主机将会在一段时间内将永远 无法组装的 IP 数据包抛弃,并且发送组装超时的 ICMP 报文(其实很多系统不产生这个差错),以保证接受主机自己的接收端缓存不 被那些永远得不到组装的分片满。

ICMP 源站抑制差错

当目标主机的处理速度赶不上数据接收的速度,因为接受主机的 IP 层缓存会被占满,所以主机就会发出一个“我受不了”的一个 ICMP 报文。

UDP 服务器设计

UDP 协议的某些特性将会影响我们的服务器程序设计,大致总结如下:

•  关于客户IP和地址:服务器必须有根据客户IP地址和端口号判断数据包是否合法的能力(这似乎要求每一个服务器都要具备)
•  关于目的地址:服务器必须要有过滤广播地址的能力。
•  关于数据输入:通常服务器系统的每一个端口号都会和一块输入缓冲区对应,进来的输入根据先来后到的原则等待服务器的处理,所以难免会出现缓冲区溢出的问题,这种情况下,UDP 数据包可能会被丢弃,而应用服务器程序本身并不知道这个问题。
•  服务器应该限制本地IP地址,就是说它应该可以把自己绑定到某一个网络接口的某一个端口上。

另外还有一些关于c++ Linux后台服务器开发的一些知识点分享：Linux，Nginx，MySQL，Redis，P2P，K8S，Docker，TCP/IP，协程，DPDK，webrtc，音视频等等视频。

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