路由器连接不同的网络

路由器的任务是，在不同的网络之间传送 IP 数据报。不同的端口连接不同的网络，每个端口都有不同的 IP 地址和 MAC 地址。

路由器连接多个局域网的例子
从途中可以知道：

  • 处于同一个局域网中的主机和路由器，其网络号都是相同的。
  • 路由器的每个端口，都有自己的 IP 地址和 MAC 地址

    两个路由器相连时，相连的端口组成了一个点对点的网络，网络中只有两台主机。可以不为这个网络分配 IP 地址，这样的网络叫做匿名网络。

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路由器允许不同的网络层协议
通过路由器连接的多个网络，他们的物理层，数据链路层，网络层协议可以不同，网络层以上的高层协议必须相同

  1. 网络层可以不同。现在 TCP/IP 大量使用，容易产生「网络层协议必须相同」的误解。连接 IPv4 和 IPv6 两个网络的路由器就是一个反例
  2. 高层协议必须相同：因为路由器最多只能处理到网络层的差异，更高层处理不了。如果两个网络需要通信，那么上层的协议必须要相同才行。

路由选择和分组转发

可以将路由器的功能划分为两个层面：

  • 路由选择部分，也就是控制层面。根据路由选择协议构造出转发表，这一部分主要是由软件实现。
  • 分组转发部分，数据层面。这一部分由硬件实现。

查询转发表进行转发

转发表的表项是 IP 地址，而不是 MAC 地址；查询过程就是前缀匹配的过程，要进行最长前缀匹配。
为了快速地进行最长前缀匹配，可以把路由表按照前缀长度进行排序，前缀最长的放在前面，这样可以确保第一个找到的匹配项前缀一定是最长的。
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CIDR 的转发表是以二叉线索树的形式存储在路由器中的，利用这种结构可以很快地进行前缀匹配。

直接交付与间接交付

从 IP 数据报的首部提取出目的主机的 IP 地址，并计算出目的网络地址。
直接交付：直接交付有两种情况，共同特征都是「当前主机和目的主机在同一个网络中」。

  • 第一种：源主机和目的主机在同一个网络中，源主机会查询自己的转发表，不经过路由器，直接发送给目的主机。
  • 第二种：发生在间接交付的最后阶段，路由器和目的网络直接相连，此时不需要经过其他路由器，直接交付。

间接交付：

  • 如果路由表中有指向目的主机 IP 的路由，则将数据报传送给指定的下一跳主机；
  • 如果路由表中有指向目的网络的路由，则将数据报传送给指定的下一跳路由。
  • 否则将数据报传送给默认路由
  • 如果连默认路由也没有，就报错。

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网络层进行转发时，将当前路由的 MAC 地址和目的路由器的 MAC 地址填入 MAC 帧的首部。

IP 数据报在路由器之间转发

涉及网络层和数据链路层的分组转发
跨网络通信时，依靠 IP 地址进行路由，由路由器进行转发；
当数据报到达局域网时，只需要数据链路层广播即可找到目的主机，此时使用的是 MAC 地址

IP 数据报在路由器之间传输
IP 数据报在传输的过程中，源 IP 和目的 IP 都是不变的；源 MAC 和目的 MAC 会改变。
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