古法网络入门

• 路由器的工作 ── 收下、查表、减 TTL、交给下一站
• 路由表与 traceroute ── 匹配最长的那一行，寿命 TTL 与查路径的方法（实测）
• ICMP ── “超时”“没有到该目的地的路”这类通知
• 家用路由器 ── 用 NAT 改写地址。去掉它、从外面进来会怎样（实测）
• 互联网 ── AS 与 BGP，约 107 万条路由

这一讲的练习网络是一条直路：从家（新井的电脑和家用路由器 r1）出发，经过运营商的 r2、中转的 r3、数据中心的 r4，到达接收申请的服务器。地址从第 4 讲的 10.0.x.x 换成了更像家里的 192.168.1.10。

路由器是同时站在两个以上网络上的机器。以图中的 r2 为例，它在左边的网络（198.51.100.0/30）里是 198.51.100.1，在右边的网络（198.51.100.4/30）里是 198.51.100.5，有两个地址。路由器收到包后，每次做的事都一样。

1. 收下发给自己 MAC 的帧，拆开第 2 层的信封（第 3 讲）。
2. 只看里面 IP 头部的目的地址。不看源地址。
3. 查路由表，决定下一站交给谁、从哪条腿出去。
4. 把头部的 TTL 减 1。变成 0 就丢弃，并通知发送方。
5. 用 ARP 查下一站的 MAC，装进新的信封发出去。

路由器不在乎包是从哪里来的。看目的地，交给下一站，仅此而已。这一点在后面讲家用路由器时会派上用场。

# 家用路由器 r1：不认识的目的地全部交给运营商（198.51.100.1）
r1$ ip route
    default via 198.51.100.1 dev wan0
    192.168.1.0/24 dev lan0
    198.51.100.0/30 dev wan0
# 运营商的 r2：没有默认路由，只认识 3 条
r2$ ip route
    198.51.100.0/30 dev e0
    198.51.100.4/30 dev e1
    203.0.113.0/24 via 198.51.100.6 dev e1
# 数据中心的 r4：自己 LAN 以外的全部交给 r3
r4$ ip route
    default via 198.51.100.9 dev e0
    198.51.100.8/30 dev e0
    203.0.113.0/24 dev e1

一行就是一条指路。读法只有 3 种。

家用路由器 r1 只认识家里（192.168.1.0/24）和它与运营商之间的小网络。其余全是 default，也就是“不知道就交给运营商”。这和第 4 讲电脑的“默认网关”是同一个思路，大多数机器有这些就够了。

运营商的 r2 没有 default。运营商核心的路由器对全世界每个网络都各有一条路，没有“不知道就交给谁”的对象（第八章）。练习用的 r2 只认识 3 行。

使用匹配最长的那一行

目的地同时符合两行以上时，用哪一行？在 r2 上加一条粗略的 203.0.0.0/8 来试试。

# 在 r2 上加一条粗略的路由 203.0.0.0/8
r2$ ip route add 203.0.0.0/8 via 198.51.100.6
# 203.0.113.20 同时符合 /8 和 /24 → 选择更长的 /24（下一跳相同，结果一样）
r2$ ip route get 203.0.113.20
    203.0.113.20 via 198.51.100.6 dev e1 src 198.51.100.5 uid 0
r2$ ip route get 203.0.9.9
    203.0.9.9 via 198.51.100.6 dev e1 src 198.51.100.5 uid 0
# 8.8.8.8 哪条都不符合，也没有默认路由 → 发不出去
r2$ ip route get 8.8.8.8
    RTNETLINK answers: Network is unreachable

203.0.113.20 不管按前 8 位还是前 24 位看都符合。这时路由器选择匹配最长的那一行（最长前缀匹配，longest prefix match）。匹配得越长，指路就越具体。default 是长度为 0 的行，即“什么都符合，但优先级最低的行”。哪行都不符合的 8.8.8.8，因为 Network is unreachable（没有到该目的地的路）而发不出去。

在这个练习里，路由表是笔者手写的（静态路由）。公司和运营商的路由器会和相邻的路由器互相告知路径，自动生成路由表（路由协议。对外用第八章的 BGP，内部用 OSPF 等）。

IP 头部里有一个 8 位的数，叫 TTL（Time To Live，寿命）。发送时从 64 之类的值开始，每经过一台路由器减 1，变成 0 就被丢弃。在服务器上接收 ping，到达时的 TTL 是 60。从 64 开始，经过 4 台路由器减了 4。

反过来利用这个寿命查路径的，就是 traceroute。

# 从新井的电脑到数据中心服务器的路径
$ traceroute -n -q 1 203.0.113.20
    traceroute to 203.0.113.20 (203.0.113.20), 30 hops max, 60 byte packets
     1  192.168.1.1  0.070 ms
     2  198.51.100.1  0.046 ms
     3  198.51.100.6  0.042 ms
     4  198.51.100.10  0.038 ms
     5  203.0.113.20  0.040 ms
# 越过 4 台路由器，第 5 跳到达服务器

TTL 为 1 的包在第一台路由器寿命耗尽，那台路由器会发回“超时（Time exceeded）”。发送者就是第 1 台路由器的地址。TTL 2 就是第 2 台……这样增加下去，最后到达对方。Linux 的 traceroute 发往看起来没人用的 UDP 端口（从 33434 开始），所以对方会回“该端口未使用”，由此得知“到了”。

封面的照片就是这时的记录。“超时”通知里原样装着寿命耗尽的原包的头部，发送方可以对照出这是哪个包的通知。

r2 把 203.0.113.0/24 交给 r3。我们故意把 r3 的这一行指回 r2。于是包就在 r2 和 r3 之间来回跑。

# 故意把 r3 的 203.0.113.0/24 指向 r2（r2 仍指向 r3），形成环
r3$ ip route replace 203.0.113.0/24 via 198.51.100.5
pc$ ping -c 1 203.0.113.20
    From 198.51.100.1 icmp_seq=1 Time to live exceeded
# 数一数 r2 和 r3 之间的线，一次 ping 去 31 次、回 31 次
    r2 e1  tx 31  rx 31  (tcpdump 62)

电脑发出的 ping，在 r1 和 r2 各减 1，以 62 进入 r2 与 r3 之间。之后每往返一次减 2，第 62 个时 TTL 变成 1，被丢弃，r2 发回了“超时”。整个过程只有 0.085 毫秒。如果没有 TTL，这个包会在线上永远转下去，进入环的包越多，线路就越堵。

这和第 3 讲交换机的环路（广播风暴）很像。不过第 2 层的帧没有寿命，所以要用 STP 把环本身切断。第 3 层有 TTL，即使出现了环，包最终也会消失。

“超时”“该端口未使用”都是 ICMP（Internet Control Message Protocol）的通知，专为 IP 服务。ping 也是其中之一，由“请回复（Echo request）”和“好的（Echo reply）”组成。我们在练习网络里收集了出错时的通知。

# 发往无路可走的目的地：运营商的 r2 回复“没有到该目的地的路”
pc$ ping -c 1 8.8.8.8
    From 198.51.100.1 icmp_seq=1 Destination Net Unreachable
# 从外面（服务器）到家里的 192.168.1.10：在途中的 r3 停下
srv$ ping -c 1 192.168.1.10
    From 198.51.100.9 icmp_seq=1 Destination Net Unreachable
# 从外面到家用路由器的地址 198.51.100.2：没有在监听的东西
srv$ curl http://198.51.100.2:3000/
    Failed to connect to 198.51.100.2 port 3000 after 0 ms: Couldn't connect to server

ICMP 经常被公司或云的防火墙拦住。ping 不通，网页却能打开，这并不少见。不要只凭 ping 不通就断定“连不上”（第 12 讲）。

家里那个盒子，是在本来的路由器上塞进了交换机（第 3 讲）、Wi-Fi 主机（第 2 讲）、DHCP（第 4 讲）、DNS 中继（第 9 讲）等等。其中，让家里的机器能出去的，是 NAT（Network Address Translation，地址转换）。

家里电脑的地址 192.168.1.10 是私有地址（第 4 讲）。全世界的家庭都在用同样的 192.168.1.10，所以外面的路由器不知道去这个地址的路。于是家用路由器把出去的包的源地址改写为自己外侧的地址 198.51.100.2，并把对应关系记在表里。回复会到达 198.51.100.2，再查表换回 192.168.1.10。申请顺利送达，返回了 201。

# 家用路由器记住的“转换表”（conntrack）
r1$ conntrack -L -p tcp
    tcp      6 119 TIME_WAIT src=192.168.1.10 dst=203.0.113.20 sport=40418 dport=3000
      src=203.0.113.20 dst=198.51.100.2 sport=3000 dport=40418 [ASSURED]
# 去程：192.168.1.10 → 203.0.113.20 ／ 回程：203.0.113.20 → 198.51.100.2（再换回 192.168.1.10）

表里不仅有地址，还有 40418、3000 这样的编号（端口）。家里好几台机器同时与外面往来，也能靠编号区分，正确地送回对应的机器（这次端口没变，冲突时路由器也会改端口）。这个编号的真身，是下一讲的 TCP。

去掉 NAT 会怎样

# 去掉家用路由器的 NAT，再 ping 一次
pc$ ping -c 3 203.0.113.20
    3 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss
# 服务器一侧的记录：请求到了，也回复了，但回复在 r3（198.51.100.9）被告知“没有到该目的地的路”
    192.168.1.10   -> 203.0.113.20   Echo (ping) request seq=1/256, ttl=60
    203.0.113.20   -> 192.168.1.10   Echo (ping) reply seq=1/256, ttl=64
    198.51.100.9   -> 203.0.113.20   Destination unreachable (Network unreachable)

去掉 NAT 后，ping 全军覆没。看服务器一侧的记录，出乎意料的是，请求（ping）到了，服务器也回复了。路由器只看目的地，所以即使源地址是 192.168，去程也照样被送达。可是回复的目的地是 192.168.1.10，r3 不知道去这个地址的路，便以“没有到该目的地的路”丢弃了。去程到了、回程迷路，这就是没有 NAT 的家。

外面进不来

上一章 ICMP 记录里的第 2 和第 3 条，就是从外面（服务器）试图进入家里。发往 192.168.1.10 的，在途中的 r3 无路可走；发往家用路由器地址 198.51.100.2 的，只到达路由器自身，没有表告诉它该交给里面哪台机器。NAT 的家，外面没法主动搭话。这对防御来说很方便，大多数家用路由器还会再用防火墙挡住来自外面的连接。

想让外面看到家里正在开发的服务器，可以设置把固定端口指向内部机器的端口转发（端口映射），或者使用从内部保持向外连接、借用外部入口的隧道服务（第 11 讲）。如果运营商那边又做了一层 NAT（CGNAT，第 4 讲的 100.64.0.0/10），连端口转发也做不了。

互联网是运营商、云、大学、大公司等各自按自己的方针运营的网络的集合。每一个这样的网络叫作 AS（Autonomous System，自治系统），都有编号（AS 号）。AS 之间用 BGP（Border Gateway Protocol）互相告知“这一块地址在我这边”。

数据中心通告“203.0.113.0/24 在我这里”后，中转把自己的 AS 号加在前面，再告诉运营商。运营商从收到的多条路径中，根据方针（费用、合同）和经过的 AS 数选出一条，放进路由表。如果编号序列里有自己就不接收，所以 AS 之间不容易形成环。

AS 之间有的直接拉线相连，有的在 IX（互联网交换中心）这种很多 AS 聚在一起互相连线的地方相连。BGP 是相信对方申报的机制，所以有人通告了错误的路径，影响会传得很远。2021 年 10 月 Facebook 数小时无法访问，就是因为维护操作的命令切断了自家的骨干网，DNS 服务器察觉后用 BGP 撤回了通往自己的路，全世界都查不到 Facebook 的域名了。

在家里做 traceroute，第 1 跳应该是家用路由器（以 192.168 开头的地址），从第 2 跳左右开始出现运营商的路由器。途中出现 * * * 也没关系，只要最后能到就没问题。电脑的路由表里，除了 default 和家里网络的行，如果装了 VPN 或 Docker，还会有它们的行（第 11 讲）。