路由器的工作原理

strongerHuang 2024-09-03 08:21

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来源 | Ubiquiti优倍快

什么叫路由？

路由器的英文是 Router，也就是「找路的工具」。找什么路？寻找各个网络节点之间的路。

换句话说，路由器就像是快递中转站，包裹会经过一个个的中转站，从遥远的地方寄到你家附近，数据包也是一样。

路由器是连接两个网络的硬件设备，承担寻路功能，是网络的大门，因此，路由器又叫做网关设备（Gateway）。

路由表

路由器和交换机一样，也有自己的小本本，这个路由表上记载了到各个网络节点之间的路，会记录数据来源、相应的路由条目以及下一跳。

路由表就相当于路由器的导航，路由器只需要按照路由表的指示走就可以了。当然前提是，路由表中存在匹配该数据包目的 IP 地址的路由条目。路由表会周期性更新，当网络拓扑发生变化时也会更新，不用担心走错路。

路由器收发数据包的流程

路由器在收发数据包的时候会先查看路由表，如果路由表里有匹配项，就会把数据包交给下一跳。如果没有匹配项，就会直接丢弃数据包，然后告诉主机，这个目的地不可达。

直连、静态路由、动态路由

路由条目的获取来源有很多种，比如说直连、静态路由和动态路由。

直连，也就是路由器的直接邻居。路由器会自己去认识邻居，然后记录下来。

当然，也可以通过手动添加的方式告诉路由器目的网段的路径，也就是静态路由，适合网络规模比较小的场景。但是当网络拓扑发生变化，或是规模扩大的时候，配置和维护的成本就会很高。

这时候就需要结合动态路由，让路由器通过动态的方式来学习。在大型网络中，往往采用这种动、静路由相结合的方式进行部署。

三层寻址

上期讲解的「二层寻址」，大家还记得吗？二层寻址就是交换机根据 MAC 地址，在物理层进行寻址。

三层寻址就是指路由器根据 IP 地址，在网络层进行寻址。

路由器三层寻址流程

当主机想要发送数据的时候，首先会查看目的地是否和自己在同一个网段，如果在同一个网段就会让交换机进行二层转发。

如下图所示，PC1 要给 PC2 发送数据，就会通过交换机来完成。

如果不在同一个网段，主机会把数据包交给自己的路由器，路由器再根据目的 IP 查询自己的路由表，如果有匹配的条目，则交给下一跳，没有就丢弃。

如下图所示，PC1 要给 PC3 发送数据，发现 PC3 和自己不在同一个网段，就会把数据包交给路由器 A，再根据路由表的条目转发给路由器 B -> C，最后通过交换机 C 送达 PC3。

寻路原则

既然路由器是负责找路的，那条条大路通罗马，哪条大路最近呢？

来源：Giphy

默认情况下，路由的查询遵循最长匹配原则，也就是掩码越长、越精确，路由器就会优先选择那条路。

然后考虑路径开销，比如说带宽、管理距离、度量值等。也就是如果从这条路走，要花上多少时间和金钱。绝大部分数据通信行为是双向的，考虑流量的时候，还要关注流量的往返，从这条路去，也得从这条路回来，回来的时候没路了，这也不行。

路由查询的行为是逐跳的，到目标网络沿途的每个路由器都必须有关于该目标网段的路由信息。简单来说，数据包每经过一个路由器，路由器就会告诉它下一跳是谁，该往哪个方向走。

如何选择路由器？

路由器选型可以考虑这几个因素：带宽需求/转发性能、端口数量、带机量。

比如说家里拉了千兆宽带，那么路由器一定得是千兆路由器，还要满足千兆 NAT 转发的性能。顺带一提，运营商配的光猫是自带路由功能的，如果没有特殊需求，普通家庭一般够用了。

一般家用场景，路由端口用的不太多，可以通过交换机补充。大部分商用场景，4-12 口也就够了，再多的话，相信大部分企业会选择三层交换机。

带机量是一个很重要的指标，我们一般会考虑并发用户，还有用户的业务类型。

以 UniFi 的网关设备为例：USG 可以到 100 并发，普通家庭或小微企业，都足够用了；USG-Pro-4 带机量可以到 1000 并发，中小企业需求基本可以满足；如果还有更高需求，可以使用 UDM-Pro。

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strongerHuang 作者黄工，高级嵌入式软件工程师，分享嵌入式软硬件、物联网、单片机、开发工具、电子等内容。

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