第9章 IP选路
9.1 引言
选路是I P最重要的功能之一。图 9 - 1是I P层处理过程的简单流程。需要进行选路的数据报可以由本地主机产生，也可以由其他主机产生。在后一种情况下，主机必须配置成一个路由器，否则通过网络接口接收到的数据报，如果目的地址不是本机就要被丢弃（例如，悄无声息地被丢弃）。
在图9 - 1中，我们还描述了一个路由守护程序（ d a e m o n），通常这是一个用户进程。在U n i x系统中，大多数普通的守护程序都是路由程序和网关程序（术语 d a e m o n指的是运行在后台的进程，它代表整个系统执行某些操作。 d a e m o n一般在系统引导时启动，在系统运行期间一直存在）。在某个给定主机上运行何种路由协议，如何在相邻路由器上交换选路信息，以及选路协议是如何工作的，所有这些问题都是非常复杂的，其本身就可以用整本书来加以讨论（有兴趣的读者可以参考文献 [Perlman 1992]以获得更详细的信息）。在第1 0章中，我们将简单讨论动态选路和选路信息协议 R I P（Routing Information Protocol）。在本章中，我们主要的目的是了解单个I P层如何作出路由决策。
图9 - 1所示的路由表经常被 I P访问（在一个繁忙的主机上，一秒钟内可能要访问几百次），但是它被路由守护程序更新的频度却要低得多（可能大约 3 0秒种一次）。当接收到I C M P重定向，报文时，路由表也要被更新，这一点我们将在 9 . 5节讨论r o u t e命令时加以介绍。在本章中，我们还将用n e t s t a t命令来显示路由表。
9.2 选路的原理
开始讨论I P选路之前，首先要理解内核是如何维护路由表的。路由表中包含的信息决定了I P层所做的所有决策。
在3 . 3节中，我们列出了I P搜索路由表的几个步骤：
- 搜索匹配的主机地址；
- 搜索匹配的网络地址；
- 搜索默认表项（默认表项一般在路由表中被指定为一个网络表项，其网络号为 0）。匹配主机地址步骤始终发生在匹配网络地址步骤之前。
I P层进行的选路实际上是一种选路机制，它搜索路由表并决定向哪个网络接口发送分组。这区别于选路策略，它只是一组决定把哪些路由放入路由表的规则。 I P执行选路机制，而路由守护程序则一般提供选路策略。
9.2.1 简单路由表
首先来看一看一些典型的主机路由表。在主机s v r 4上，我们先执行带-r选项的n e t s t a t命令列出路由表，然后以-n选项再次执行该命令，以数字格式打印出I P地址（我们这样做是因为路由表中的一些表项是网络地址，而不是主机地址。如果没有- n选项，n e t s t a t命令将搜索文件/ e t c / n e t w o r k s并列出其中的网络名。这样会与另一种形式的名字—网络名加主机名相混淆）。
第1行说明，如果目的地是 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 6 5（s l i p主机），那么网关（路由器）将把分组转发给1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 5（b s d i）。这正是我们所期望的，因为主机 s l i p通过S L I P链路与b s d i相连接，而b s d i与该主机在同一个以太网上。
对于一个给定的路由器，可以打印出五种不同的标志（ f l a g）： U 该路由可以使用。 G 该路由是到一个网关（路由器）。如果没有设置该标志，说明目的地是直接相连的。 H 该路由是到一个主机，也就是说，目的地址是一个完整的主机地址。如果没有设置该标志，说明该路由是到一个网络，而目的地址是一个网络地址：一个网络号，或者网络号与子网号的组合。 D 该路由是由重定向报文创建的（ 9 . 5节）。 M 该路由已被重定向报文修改（ 9 . 5节）。
标志G是非常重要的，因为由它区分了间接路由和直接路由（对于直接路由来说是不设置标志G的）。其区别在于，发往直接路由的分组中不但具有指明目的端的 I P地址，还具有其链路层地址（见图 3 - 3）。当分组被发往一个间接路由时， I P地址指明的是最终的目的地，但是链路层地址指明的是网关（即下一站路由器）。我们在图3 - 4已看到这样的例子。在这个路由表例子中，有一个间接路由（设置了标志 G），因此采用这一项路由的分组其 I P地址是最终的目的地（1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 6 5），但是其链路层地址必须对应于路由器 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 5。
理解G和H标志之间的区别是很重要的。 G标志区分了直接路由和间接路由，如上所述。但是H标志表明，目的地址（ n e t s t a t命令输出第一行）是一个完整的主机地址。没有设置H标志说明目的地址是一个网络地址（主机号部分为 0）。当为某个目的 I P地址搜索路由表时，主机地址项必须与目的地址完全匹配，而网络地址项只需要匹配目的地址的网络号和子网号就可以了。另外，大多数版本的 n e t s t a t命令首先打印出所有的主机路由表项，然后才是网络路由表项。
参考记数R e f c n t（Reference count）列给出的是正在使用路由的活动进程个数。面向连接的协议如T C P在建立连接时要固定路由。如果在主机 s v r 4和s l i p之间建立Te l n e t连接，可以看到参考记数值变为1。建立另一个Te l n e t连接时，它的值将增加为2，依此类推。
下一列（“u s e”）显示的是通过该路由发送的分组数。如果我们是这个路由的唯一用户，那么运行p i n g程序发送5个分组后，它的值将变为 5。最后一列（i n t e r f a c e）是本地接口的名字。
输出的第2行是环回接口（2 . 7节），它的名字始终为 l o 0。没有设置G标志，因为该路由不是一个网关。H标志说明目的地址（1 2 7 . 0 . 0 . 1）是一个主机地址，而不是一个网络地址。由于没有设置G标志，说明这是一个直接路由，网关列给出的是外出 I P地址。
输出的第3行是默认路由。每个主机都有一个或多个默认路由。这一项表明，如果在表中没有找到特定的路由，就把分组发送到路由器 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 3（s u n主机）。这说明当前主机（s v r 4）利用这一个路由表项就可以通过 I n t e r n e t经路由器s u n（及其S L I P链路）访问其他的系统。建立默认路由是一个功能很强的概念。该路由标志（ U G）表明它是一个网关，这是我们 所期望的。
这里，我们有意称s u n为路由器而不是主机，因为它被当作默认路由器来使用，它发挥的是IP转发功能，而不是主机功能。
Host Requirements RFC文档特别说明，IP层必须支持多个默认路由。但是，许多实现系统并不支持这一点。当存在多个默认路由时，一般的技术就成为它们周围的知更鸟了，例如，Solaris 2.2就是这样做的。
输出中的最后一行是所在的以太网。 H标志没有设置，说明目的地址（ 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 2）是一个网络地址，其主机地址部分设为 0。事实上，是它的低 5位设为0（见图3 - 11）。由于这是一个直接路由（G标志没有被设置），网关列指出的I P地址是外出地址。
n e t s t a t命令输出的最后一项还隐含了另一个信息，那就是目的地址（ 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 2）的子网掩码。如果要把该目的地址与 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 3进行比较，那么在比较之前首先要把它与目的地址掩码（0 x ffffff e 0，3 . 7节）进行逻辑与。由于内核知道每个路由表项对应的接口，而且每个接口都有一个对应的子网掩码，因此每个路由表项都有一个隐含的子网掩码。主机路由表的复杂性取决于主机所在网络的拓扑结构。
- 最简单的（也是最不令人感兴趣的）情况是主机根本没有与任何网络相连。 T C P / I P协议仍然能用于这样的主机，但是只能与自己本身通信！这种情况下的路由表只包含环回接口一项。
- 接下来的情况是主机连在一个局域网上，只能访问局域网上的主机。这时路由表包含两项：一项是环回接口，另一项是局域网（如以太网）。
- 如果主机能够通过单个路由器访问其他网络（如 I n t e r n e t）时，那么就要进行下一步。一般情况下增加一个默认表项指向该路由器。
- 如果要新增其他的特定主机或网络路由，那么就要进行最后一步。在我们的例子中，到主机s l i p的路由要通过路由器b s d i就是这样的例子。
我们根据上述I P操作的步骤使用这个路由表为主机 s v r 4上的一些分组例子选择路由。
- 假定目的地址是主机 s u n，1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 3。首先进行主机地址的匹配。路由表中的两个主机地址表项（ s l i p和l o c a l h o s t）均不匹配，接着进行网络地址匹配。这一次匹配成功，找到表项 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 2（网络号和子网号都相同），因此使用e m d 0接口。这是一个直接路由，因此链路层地址将是目的端的地址。
- 假定目的地址是主机s l i p，1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 6 5。首先在路由表搜索主机地址，并找到一个匹配地址。这是一个间接路由，因此目的端的 I P地址仍然是1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 6 5，但是链路层地址必须是网关1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 6 5的链路层地址，其接口名为 e m d 0。
- 这一次我们通过 I n t e r n e t给主机a w . c o m（1 9 2 . 2 0 7 . 11 7 . 2）发送一份数据报。首先在路由表中搜索主机地址，失败后进行网络地址匹配。最后成功地找到默认表项。该路由是一个间接路由，通过网关1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 3，并使用接口名为e m d 0。
- 在我们最后一个例子中，我们给本机发送一份数据报。有四种方法可以完成这件事，如用主机名、主机I P地址、环回名或者环回I P地址：
在前两种情况下，对路由表的第 2次搜索得到一个匹配的网络地址 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 2，并把I P报文传送给以太网驱动程序。正如图 2 - 4所示的那样，I P报文中的目的地址为本机 I P地址，因此报文被送给环回驱动程序，然后由驱动程序把报文放入 I P输出队列中。
在后两种情况下，由于指定了环回接口的名字或 I P地址，第一次搜索就找到匹配的主机地址，因此报文直接被送给环回驱动程序，然后由驱动程序把报文放入 I P输出队列中。
上述四种情况报文都要被送给环回驱动程序，但是采用的两种路由决策是不相同的。
9.2.2 初始化路由表
我们从来没有说过这些路由表是如何被创建的。每当初始化一个接口时（通常是用i f c o n f i g命令设置接口地址），就为接口自动创建一个直接路由。对于点对点链路和环回接口来说，路由是到达主机（例如，设置 H标志）。对于广播接口来说，如以太网，路由是到达网络。
到达主机或网络的路由如果不是直接相连的，那么就必须加入路由表。一个常用的方法是在系统引导时显式地在初始化文件中运行 r o u t e命令。在主机s v r 4上，我们运行下面两个命令来添加路由表中的表项：
第3个参数（d e f a u l t和s l i p）代表目的端，第4个参数代表网关（路由器），最后一个参数代表路由的度量( m e t r i c )。r o u t e命令在度量值大于0时要为该路由设置G标志，否则，当耗费值为0时就不设置G标志。
不幸的是，几乎没有系统愿意在启动文件中包含r o u t e命令。在4 . 4 B S D和B S D / 3 8 6系统中，启动文件是 / e t c / n e t s t a r t ；在 S V R 4 系统中，启动文件是/ e t c / i n e t / r c . i n e t；在Solaris 2.x中，启动文件是/ e t c / r c 2 . d / S 6 9 i n e t；在 SunOS 4.1.x中，启动文件是/ e t c / r c . l o c a l；而AIX 3.2.2则使用文件/ e t c / r c . n e t。
一些系统允许在某个文件中指定默认的路由器，如 / e t c / d e f a u l t r o u t e r。于是在每次重新启动系统时都要在路由表中加入该默认项。
初始化路由表的其他方法是运行路由守护程序（第 1 0章）或者用较新的路由器发现协议（9 . 6节）。
9.2.3 较复杂的路由表
在我们的子网上，主机 s u n是所有主机的默认路由器，因为它有拨号 S L I P链路连接到I n t e r n e t上（参见扉页前图）。
前两项与主机s v r 4的前两项一致：通过路由器 b s d i到达s l i p的特定主机路由，以及环回路由。
第3行是新加的。这是一个直接到达主机的路由 (没有设置G标志，但设置了H标志)，对应于点对点的链路，即S L I P接口。如果我们把它与i f c o n f i g命令的输出进行比较：
可以发现路由表中的目的地址就是点对点链路的另一端 (即路由器n e t b), 网关地址为外出接口的本地I P地址( 1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 2 9 ) (前面已经说过, n e t s t a t为直接路由打印出来的网关地址就是本地接口所用的I P地址)。
默认的路由表项是一个到达网络的间接路由 (设置了G标志，但没有设置 H标志)，这正是我们所希望的。网关地址是路由器的地址 ( 1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 1 8 3，S L I P链路的另一端), 而不是S L I P链路的本地I P地址( 1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 2 9 )。其原因还是因为是间接路由，不是直接路由。
还应该指出的是，n e t s t a t输出的第3和第4行(接口名为s l 0)由S L I P软件在启动时创建，并在关闭时删除.
9.2.4 没有到达目的地的路由
我们所有的例子都假定对路由表的搜索能找到匹配的表项，即使匹配的是默认项。如果路由表中没有默认项，而又没有找到匹配项，这时会发生什么情况呢？
结果取决于该 I P数据报是由主机产生的还是被转发的（例如，我们就充当一个路由器）。如果数据报是由本地主机产生的，那么就给发送该数据报的应用程序返回一个差错，或者是“主机不可达差错”或者是“网络不可达差错”。如果是被转发的数据报，那么就给原始发送端发送一份I C M P主机不可达的差错报文。下一节将讨论这种差错
