路由网第十二章 路由通信
12.1 路由原理
本章将详细介绍路由通信的原理，重点在于理解路由过程，而实验内容相对次要。在实际生产环境中，通常采用企业级路由器，而不使用Windows或Linux主机作为路由器。因此，读者应重点把握通信原理，而不是具体的实验操作。
12.1.1 路由器工作原理
在网络基础部分，可能已经介绍过路由器的工作原理，这里我们再简要回顾一下：
如图所示，假设有两台客户机A和B，以及两台路由器R1和R2。网络被划分为三个网段，分别为192.168.10.0、192.168.20.0和192.168.30.0，主机与路由器的网卡IP如图所示。当主机A需要与主机B通信时，因为它们不在同一子网内，必须通过网关进行通信。主机A的网关是路由器R1的e0口IP，即192.168.10.2；主机B的网关是30.1。注意，每经过一个路由器，我们称为一跳。
路由器的工作原理基于OSI七层模型中的网络层功能，通过识别IP地址来完成数据包转发。路由器内部有一个专门用于指定通信路径的表格，称为路由表。路由器在启动时，会自动扫描接口所连接的网段，并将这些信息写入路由表，称为直连路由。如图所示，R1和R2各有两条直连路由，显示了e0和e1接口连接的网段。因为是直连的，所以下一跳部分为空，用*表示。当主机A访问主机B时（如图所示），R1收到A发送的数据包，并根据目的IP（30.2）查找路由表。由于R1的路由表中没有30.0网段的信息，R1会拒绝转发，导致A和B无法通信。只有当R1的路由表完整时，R1才会按照路由条目的指示进行转发。路由表的建立有两种方法：一种是人工手动输入，称为静态路由；另一种是通过路由器运行路由协议，让路由器之间相互学习，建立完整的路由表，称为动态路由。下面我们将分别介绍这两种方法。
12.2 静态路由
12.2.1 静态路由原理
如上图所示，要使A和B能够通信，必须在R1和R2上添加完整的路由表信息。路由表中最重要的信息包括三列：本机接口、目标网段和下一跳地址。基于图示环境，我们可以得出：若要从R1到达主机B所在的网段（即30.0网段），需要通过R1的e1口发送数据包给R2的20.2接口。因此，我们需要手动添加一条路由信息：e1 30.0 20.2。也就是说，R1要到达30.0网段，需要通过e1口将数据包发送给20.2。同理，我们需要在R2上添加e0 10.0 20.1的路由信息，以便从R2到达10.0网段。当R1和R2上的路由信息都添加完毕后，A和B就可以通信了。
12.2.2 路由添加命令
手动添加路由信息时，可以指定目标网段、目标IP或默认所有网段，因此手动添加的路由信息有三种类型：主机路由、网络路由和默认路由。
主机路由：指示如何到达某个特定IP地址，即某台主机。 网络路由：指示如何到达某个网段。 默认路由：指示如何到达任何网络。 我们首先按照图示设置四台虚拟机，主机A和B可以使用Windows系统，R1和R2可以使用Linux虚拟机（需要连接两块网卡），并按图配置好IP地址。
接下来，我们配置路由器R1：
首先，在CentOS系统上启用路由功能，需要编辑路由配置文件：/usr/lib/sysctl.d/00-system.conf，具体配置过程如下：
vi /usr/lib/sysctl.d/00-system.conf —编辑路由配置文件，写入
net.ipv4.ip_forward = 1 —启用路由转发功能
systemctl restart network —重启服务，使配置生效
提示：网络或其他教材中可能使用echo … > … 的方式，但这种方式仅临时启用路由，原理相同，仅供参考。
route -n —查看路由表，也可以使用route命令不加参数或netstat -r命令
提示：在Linux 7.0之前的版本中启用路由：
vi /etc/sysctl.conf —编辑路由配置文件
修改或添加：net.ipv4.ip_forward= 1
service network restart
如图所示，路由表中只有两条直连信息。
我们先在主机A上配置好网关为10.2，然后ping主机B，查看提示结果：
如图所示，ping的结果显示10.2回复说目的网段不可达，这说明路由器R1上没有30.2的相关路由信息，因此不知道如何到达该路径，所以会报目的不可达。
如果我们在主机A上删除网关，即无网关状态，ping的结果如下：
如图所示，本机自己返回目的主机不可达，说明是由于没有网关造成的。
综上所述，通过执行ping操作，我们可以根据显示的结果来判断网络问题所在。
接下来，我们手动添加路由条目：
route add -net 192.168.30.0/24 gw 192.168.20.2 —添加网络路由
提示：也可以使用route add -net 192.168.30.0 netmask 255.255.255.0 gw 192.168.20.2 添加，但为了简化，子网掩码通常使用CIDR表示法，即/XX的简写格式。
也可以使用route add -net 192.168.30.0/24 gw 192.168.20.2 dev ens34 命令，其中dev参数指定发出网卡，也可以省略不写，自动识别发出网卡。
添加完毕后，使用route命令查看路由表，结果如下：
如图所示，添加路由后，显示到达30.0网段，下一跳为20.2，表中gateway列表示下一跳地址，Iface列表示从本机的哪块网卡发出去。
然后，我们在主机A上添加好网关（10.2），ping主机B，会显示请求超时，这是因为路由器R2上还没有添加到达10.0网段的路由。提示：ping命令的通信过程是一去一回的，只有去和回都正常通信，才会显示ping通。因此，需要在R2上也添加路由：route add -net 192.168.10.0/24 gw 192.168.20.1，然后A和B就可以通信了。
在这里，我们会看到TTL的结果是126，这说明经过了两跳路由。提示：ping的结果是从对方回复时经过的路由跳数，Windows Server版系统的TTL默认值是128，每经过一跳，TTL会减1，所以A ping B的结果是TTL=126。我们可以使用tracert命令探测一下所经过的路由：
注意：tracert是Windows中的命令，在Linux中是traceroute，功能相同，务必记住。
接下来，我们演示一下主机路由和默认路由：
route del -net 192.168.30.0/24 —删除R1的网络路由
route add -host 192.168.30.2/32 gw 192.168.20.2 —添加主机路由，主机路由的掩码必须是/32，即255.255.255.255，为了区别VLSM或CIDR的变化。
添加主机路由后，A ping B可通，但是A ping 30.1不通了，仍会显示10.2回复目的网段不可达，因为R1路由表中只有30.2的信息，没有到达30.0的路由。
route del -host 192.168.30.2/32 —删除主机路由
接下来，我们来看默认路由。默认路由就是网卡的网关，即到任何非直连网络都走这个路径。我们在R1的20.1网卡上配置上网关，然后查看路由表：
如图所示，添加网卡的网关后，route命令可以看到网关，但看不到具体的网关IP，可以使用ip route命令查看路由表。A与B即可ping通。提示：ip系列命令在网络参数配置中有介绍。ip route add 192.168.30.0/24 via 192.168.0.2 dev ens34 也是添加静态路由的命令。
提示：在CentOS 7.4之前的版本中，route add default gw 192.168.20.2命令也可以手动添加默认路由，但在CentOS 7.4中，这个命令不起作用，只能在网卡上设置。
12.2.3 路由优先级
路由器的路由表中，主机路由、网络路由和默认路由的优先级如下：
主机路由 > 网络路由 > 默认路由
我们可以通过以下实验来证明：
route add -net 192.168.30.0/24 gw 192.168.20.2
先添加一条正确的网络路由
route add -net 192.168.30.2/32 gw 192.168.20.20
再添加一条错误的主机路由
当我们再次使用A ping B时，会发现网络不通了，说明错误的主机路由生效了，这也证明了主机路由的优先级高于网络路由。
用相同的方式，可以证明网络路由的优先级高于默认路由。
12.2.4 路由小结
通过以上实验，我们可以总结出路由器在转发数据包时的路由表审核过程：
路由器收到一个转发数据包后，根据数据包中的目的IP，首先查看路由表中有无完全匹配的主机路由，若有，直接执行，不查其他；若无，则查看路由表中有无相对匹配的网络路由，若有，直接执行，不查其他；若无，则按照默认路由执行；若无默认路由，则丢弃数据包，放弃转发。
接下来，我们来看一下客户机，这里我们使用的客户机是Windows系统，我们可以使用route print命令来查看路由表（提示：Windows系统查看路由表使用route print命令）：
如图所示，路由表中只有一个10.0网段的直连路由（到10.0网段走192.168.10.1，即自己的网卡，到10.1又走127.0.0.1，即本机自己，说明是直连路由）。
Windows中添加路由的命令如下：
route add 192.168.30.0 mask 255.255.255.0 192.168.10.20
Windows的命令格式类似于Linux，也是指定到达30.0网段走10.20的下一跳。可见这条网络路由故意写成了错误的，则当A ping B时会不通，说明网络路由生效，并未走默认网关，可见Windows客户机也是按照路由表完成通信的。
总结可知：任何设备（路由器、主机）通信都必须通过查询路由表来决定通信路径，只不过，一般PC机上仅设置网关，即默认路由，来完成通信；任何设备（路由器、主机）当需要与异子网的主机通信时，都必须按照路由表所示，都要有下一跳网关的设置。
综上所述，希望大家可以通过路由案例，理解我们做的两个总结，这才是本章的重点所在。
