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只要有網絡的地方，你很難不看到路由器的身影，各種低、中、高端的，種類繁多，所具備的功能和內部實現不完全一樣。
要知道，路由器不斷的在吞吐通信數據，就像魚吐泡泡一樣，通信數據像是路由器的“食物”。
那么，路由器“吃”進去的數據，上哪去了呢？
“魚兒”吃進去的“食物”，有的會被吸收了，進入血液，最終轉換成能量或變為身體的一部分；沒被吸收的經過腸道排泄到體外。
“魚兒”吞進去的大部分是水，這些水基本都吐出來了，并沒有被吸收。
同樣的，進入路由器的數據，大部分從一個接口進去，從另一個接口出來，它們只是“過路”的業務報文，也有人稱之為“過路”報文。
有一小部分數據被“吸收”了，被上送CPU處理，或者因為各種原因中途被丟棄。
今天，就和你分享一篇關于報文在路由器中的處理全過程，幫助你更好的了解路由器內部的原理。
01
在路由器中
報文度過了怎樣的一生？
這張圖，是路由器收到的業務報文和協議報文在轉發層面的處理流程。
這張圖，是路由器CPU發送的協議報文的在轉發層面的處理流程。
是不是覺得上圖太復雜、概念太多，看不懂？
上述圖片只是給一個總的概念，以便下面更好的理解。
下面我們先從“交換”談起：
數據。是通過接口板接收和發送，通信線纜都要插接到接口板的接口上。
那么，把某一個接口來的數據包送到另一個接口發出去，這兩個接口需要連起來。
但實際上，數據包可能從任意接口進來，從任意接口出去，都這么點到點連接的話，則需要N*(N-1)/2根線互聯，太多了。
為了解決這種大量連接的問題，接口板和接口板之間需要通過交換網（Switch Fabric）板銜接起來，接口板只要通過若干連線跟交換網板連接，就能完成任意接口的互通。
交換網屬于“三無”部件，即與設備配置無關、與協議無關、與數據包類型無關。交換網專注于在入接口和出接口之間建立連接，完成數據的交換。
01?上行和下行
以交換網為中心，可將報文在路由器的行程一分為二，前半程稱為“上行”，下半程稱為“下行”。
02?尋址轉發
可能有人會問，報文從一個接口進來，經過“交換”，從另一個接口出去，這個交換機也會做啊，何必用路由器？
是的，交換機也有交換功能。但是，在互聯網中，從一個節點到另一個節點，有許許多多的路徑。
路由器可以選擇通暢的最短的路徑，從而提高通信速度，減輕網絡負荷，節約網絡資源，這是交換機所不具備的能力。
為數據包選擇一條合適的（通常指最短的）傳輸路徑，然后從對應的接口發送，這個過程就稱為“尋址轉發”。
路由器所在的網絡幾乎都是遵循TCP/IP體系的，路由器是工作在該體系的第三層，即網絡層。
所以，剛才提到的“尋址”的”址“是指根據數據包的網絡層地址——IP地址。為了尋址，路由器需要一張“地圖”，以目的IP地址為索引的“地圖”，也就是路由表。每個路由器中都有一張路由表。
03?路由表長什么樣？
這張圖是一張實際的地鐵出口地圖。
實際的路由表跟上圖有些相似。
路由表的索引是目的IP地址/掩碼，每個表項中都有對應的下一跳IP地址和出接口信息，如下圖。
有了這張表，路由器接在收到數據包時就能做到心中有數了。
比如，收到一個目的地址為10.0.0.1的報文，路由器就可以查表得知需要將該報文發送到GE1/0/0這個接口。
04?這個路由表怎么得來的？
一種辦法是手工制作，對路由器進行手工設置固定的路由。但是這種路由不能對網絡的改變作出反映，如果網絡拓撲變化了，需要人工去修改設置。
還有一種辦法，就是運行動態路由協議，讓路由器之間相互傳遞路由信息，利用收集到的路由信息進行計算，生成路由表，這樣就可以讓路由表實時跟進網絡拓撲的變化。
在實際應用中，這兩個辦法都用上了，當動態路由與靜態路由發生沖突時，以靜態路由為準。
當然，路由表還有一類路由，不是人工配置的，也不是路由協議的學習，而是由鏈路層協議發現的，稱為直連路由。
05?路由表放在哪？
有了路由表，接下來要考慮的是，路由表放哪合適呢？
前面說過，數據包是從某個接口進來，經過交換網，再從另一個接口出去。
那路由表能不能放交換網？答案肯定不行，因為交換網要完成整個設備所有報文的交換，為了讓交換網完成高速交換，不成為瓶頸，不能再讓交換網去運行路由協議、維護路由表、做尋址轉發。
那路由表能不能放下行接口板？
答案也是不行，交換網做交換的時候，就需要知道要送往哪塊目的單板，所以尋址轉發需要在上行完成。然而，如果把路由表放上行接口板，由于報文可能從任意接口板進來，那么所有的接口板都需要放一個路由表。其實，還有更好的辦法，就是將路由表放在一個公共的地方，比如主控板上，由主控板的CPU運行路由協議，計算路由，生成和維護路由表。
06?轉發表與路由表
如果路由器采用的是“硬轉發”，業務報文不經過主控板CPU處理，不能直接用主控板上的路由表，接口板上也需要有供尋址轉發的信息。
所以，主控板CPU生成路由表之后，還要將相關信息下發給各個接口板。
這些相關的信息就是轉發信息，存放在各個接口板的轉發信息表FIB（Forwarding Information Base）中。
各個接口板上的轉發信息都是相同的，因為它們具有相同的來源，都來自主控板。
實際上，現代高性能路由器在架構上都是轉發和控制分離：
把轉發層面和控制層面分配在不同的組件，控制層面運行路由協議，維護路由表，并下發轉發表FIB到轉發層面，由轉發層面負責數據包轉發。
這樣做的最基本的好處就是不會相互影響。
如果流量很高導致轉發層面高負荷，但是其不會影響控制層面進行正常的路由學習；相反的，如果控制層面對路由信息的處理比較繁忙，也不會影響轉發層面進行其高速的數據包轉發。
細心的讀者會發現，路由表和轉發表看起來差不多，都有目的IP地址/掩碼、下一跳、出接口這三個信息。
實際上，轉發表是根據路由表生成的。路由表中可能包含到達目的地址的多條路由，但是轉發表里面只取其中的最優路由。
而且，路由表的下一跳是原始的下一跳，不一定是直接可達的，FIB是用于指導轉發的，它的下一跳必須是直接可達。根據“原始下一跳”找到“直接下一跳”的過程就稱為“路由迭代”。
路由器上電啟動之后，就會運行路由協議學習網絡拓撲，生成路由表，如果接口板注冊成功，主控板就可以根據路由表生成轉發表項并下發給接口板，這樣路由器就可以根據轉發表轉發數據包了。
執行數據包轉發的部件是位于接口板上的一個被稱為包轉發引擎PFE（Packet Forwarding Engine）部件，通常是NP或ASIC芯片。
07?找不到路怎么辦？
上述這種在轉發報文前，提前準備好轉發表，待收到報文時再查表轉發的方式稱為“預路由”，“先鋪路，后通車”。現在路由器都采用這種方式進行IP單播轉發。
在這種方式中，查表轉發時，如果沒有匹配上（如果有默認路由，最終會匹配上默認路由，默認路由不存在“不匹配”的情況），意味著這臺路由器沒有到這個目的地址的路由（或者還沒有學習到這個路由），也就是找不到路，迷路了。
數據包迷路了怎么辦，原路返回？
想象下，如果迷路了就被原路返回給源端，那源端重發的還是同樣的目的地址，那這個報文還是會在同一個地方迷路，再原路返回，死循環了。
所以，數據包迷路了只能被丟棄。出于可維護方面的考慮，包轉發引擎PFE會記錄丟棄原因和統計丟棄的報文數。
08?預路由與流觸發
剛才說到路由器都采用“先鋪路，后通車”的預路由方式。相對的，“先通車，后鋪路”的方式，被稱為“流觸發”。
流觸發方式中，設備收到報文，查轉發表，如果轉發表中不存在對應的表項，就根據這個報文生成一個轉發表項。
這樣，該用戶流的下一個報文就可以命中轉發表進行轉發了。
目前，路由器和交換機在進行二層轉發時所使用的MAC表，就是采用MAC地址學習方式，類似于“流觸發”方式。
從安全性角度上，流觸發顯然容易造成流量攻擊，為攻擊者提供了一個合理合法的攻擊路徑。
攻擊者可以使用各種未知目的報文對系統進行遍歷掃描攻擊，形成對路由器的流量攻擊。
所以，在高端路由器上，除了有MAC學習方式機制外，為了預防流量攻擊，還提供了限制MAC地址學習的功能，即限制最多允許學習多少個MAC地址，并限制每次學習的時間間隔；
而且還允許去使能MAC地址學習，允許人們像配置靜態路由一樣去手工配置MAC表項。
編輯：黃飛
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工商網監
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