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路由协议:西出网关无故人,敢问路在何方

2018-06-09 19:37 前端之巅

俗话说得好,在家千日好,出门一日难。网络包一旦出了网关,就像玄奘西行一样踏上了江湖漂泊的路。今天来给大家普及一下路由协议。

出了网关之后,只有一条路可以走。但是,网络世界复杂得多,一旦出了网关,会面临着很多路由器,有很多条道路可以选。如何选择一个更快速的道路求取真经呢?这里面还有很多门道可以讲。

如何配置路由?

通过上一节的内容,你应该已经知道,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。

上一节的例子中,网关上的路由策略就是按照这三项配置信息进行配置的。这种配置方式的一个核心思想是:根据目的 IP 地址来配置路由。

如何配置策略路由?

当然,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。

例如,我们设置:

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。

在什么情况下会用到如此复杂的配置呢?我来举一个现实中的例子。

我是房东,家里从运营商那儿拉了两根网线。这两根网线分别属于两个运行商。一个带宽大一些,一个带宽小一些。这个时候,我就不能买普通的家用路由器了,得买个高级点的,可以接两个外网的。

家里的网络呢,就是普通的家用网段 192.168.1.x/24。家里有两个租户,分别把线连到路由器上。IP 地址为 192.168.1.101/24 和 192.168.1.102/24,网关都是 192.168.1.1/24,网关在路由器上。

就像上一节说的一样,家里的网段是私有网段,出去的包需要 NAT 成公网的 IP 地址,因而路由器是一个 NAT 路由器。

两个运营商都要为这个网关配置一个公网的 IP 地址。如果你去查看你们家路由器里的网段,基本就是我图中画的样子。

运行商里面也有一个 IP 地址,在运营商网络里面的网关。不同的运营商方法不一样,有的是 /32 的,也即一个一对一连接。

例如,运营商 1 给路由器分配的地址是 183.134.189.34/32,而运营商网络里面的网关是 183.134.188.1/32。有的是 /30 的,也就是分了一个特别小的网段。运营商 2 给路由器分配的地址是 60.190.27.190/30,运营商网络里面的网关是 60.190.27.189/30。

根据这个网络拓扑图,可以将路由配置成这样:

$ ip route list table main 
60.190.27.189/30 dev eth3  proto kernel  scope link  src 60.190.27.190
183.134.188.1 dev eth2  proto kernel  scope link  src 183.134.189.34
192.168.1.0/24 dev eth1  proto kernel  scope link  src 192.168.1.1
127.0.0.0/8 dev lo  scope link
default via 183.134.188.1 dev eth2

当路由这样配置的时候,就告诉这个路由器如下的规则:

  • 如果去运营商二,就走 eth3;

  • 如果去运营商一呢,就走 eth2;

  • 如果访问内网,就走 eth1;

  • 如果所有的规则都匹配不上,默认走运营商一,也即走快的网络。

但是问题来了,租户 A 不想多付钱,他说我就上上网页,从不看电影,凭什么收我同样贵的网费啊?没关系,咱有技术可以解决。

下面我添加一个 Table,名字叫 chao。

# echo 200 chao >> /etc/iproute2/rt_tables

添加一条规则:

# ip rule add from 192.168.1.101 table chao
# ip rule ls
0: from all lookup local 
32765: from 10.0.0.10 lookup chao
32766: from all lookup main 
32767: from all lookup default

设定规则为:从 192.168.1.101 来的包都查看个 chao 这个新的路由表。

在 chao 路由表中添加规则:

# ip route add default via 60.190.27.189 dev eth3 table chao
# ip route flush cache

默认的路由走慢的,谁让你不付钱。

上面说的都是静态的路由,一般来说网络环境简单的时候,在自己的可控范围之内,自己捣鼓还是可以的。但是有时候网络环境复杂并且多变,如果总是用静态路由,一旦网络结构发生变化,让网络管理员手工修改路由太复杂了,因而需要动态路由算法。

动态路由算法

使用动态路由路由器,可以根据路由协议算法生成动态路由表,随网络运行状况的变化而变化。那路由算法是什么样的呢?

我们可以想象唐僧西天取经,需要解决两大问题,一个是在每个国家如何找到正确的路,去换通关文牒、吃饭、休息;一个是在国家之间,野外行走的时候,如何找到正确的路、水源的问题。

无论是一个国家内部,还是国家之间,我们都可以将复杂的路径,抽象为一种叫作图的数据结构。至于唐僧西行取经,肯定想走得路越少越好,道路越短越好,因而这就转化成为如何在途中找到最短路径的问题。

咱们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

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。

我再举个例子。

原来的网络包括两个节点,B 和 C。A 加入了网络,它的邻居 B 很快就发现 A 启动起来了。于是它将自己和 A 的距离设为 1,同样 C 也发现 A 起来了,将自己和 A 的距离设置为 2。但是如果 A 挂掉,情况就不妙了。B 本来和 A 是邻居,发现连不上 A 了,但是 C 还是能够连上,只不过距离远了点,是 2,于是将自己的距离设置为 3。殊不知 C 的距离 2 其实是基于原来自己的距离为 1 计算出来的。C 发现自己也连不上 A,并且发现 B 设置为 3,于是自己改成距离 4。依次类推,数越来越大,直到超过一个阈值,我们才能判定 A 真的挂了。

这个道理有点像有人走丢了。当你突然发现找不到这个人了。于是你去学校问,是不是在他姨家呀?找到他姨家,他姨说,是不是在他舅舅家呀?他舅舅说,是不是在他姥姥家呀?他姥姥说,是不是在学校呀?总归要问一圈,或者是超过一定的时间,大家才会认为这个人的确走丢了。如果这个人其实只是去见了一个谁都不认识的网友去了,当这个人回来的时候,只要他随便见到其中的一个亲戚,这个亲戚就会拉着他到他的家长那里,说你赶紧回家,你妈都找你一天了。

这种算法的第二个问题是,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
  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。

有了内网的路由协议,在一个国家内,唐僧可以想怎么走怎么走了,两条路选一条也行。

  基于距离矢量路由算法的 BGP

但是外网的路由协议,也即国家之间的,又有所不同。我们称为外网路由协议(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。

另外,在路径中将一个自治系统看成一个整体,不区分自治系统内部的路由器,这样自治系统的数目是非常有限的。就像大家都能记住出去玩,从中国出发先到韩国然后到日本,只要不计算细到具体哪一站,就算是发送全局信息,也是没有问题的。

小结

好了,这一节就到这里了,我来做个总结:

  • 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。

最后,再给你留两个思考题:

  1. 路由协议要在路由器之间交换信息,这些信息的交换还需要走路由吗?不是死锁了吗?

  2. 路由器之间信息的交换使用什么协议呢?报文格式是什么样呢?


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