路由的定义、分类、选路规则和匹配原则

1 路由定义

路由是网络中将数据包从源地址转发到目的地址的过程。它是一种逐跳（Hop-By-Hop）的、基于路径选择的数据转发过程。

路由与交换的区别：

• 路由是端到端的通信，数据包可以从一个网络的任意一端发送到另一个网络的任意一端，是全局的概念；
• 交换是点到点（设备到设备）的通信，是在同一个网络内的不同设备之间传输数据帧的过程，是局部的概念。
• 交换使用的MAC地址只具有本地意义，而路由使用的IP地址具有全球唯一性（私有地址除外）。

2 路由类别

1. 按路由决策方式分：
   • 静态路由：由网络管理人员手动配置的路由条目；配置简单但不够灵活，不能自适应网络变化；
   • 直连路由：本地直连网络的路由，由设备自动生成；
   • 动态路由：运行特定路由协议，自动学习并维护路由表；能够自适应网络变化，但会消耗一定资源（设备资源+带宽资源）；
2. 按路由协议类型分：
   • 内部网关协议：IGP，Interior Gateway Protocol，用于同一自治系统AS（Autonomous System）内的路由选择，常见的IGP协议有RIP、OSPF等；
   • 外部网关协议：EGP，External Gateway Protocol，用于不同自治系统AS之间的路由选择，典型的EGP协议有BGP。
3. 按路由算法分：
   • 距离向量算法：基于跳数或者其他度量标准来决定最优路径，如RIP协议；
   • 链路状态算法：每个路由器都拥有整个网络的完整拓扑图，并据此计算出到各个目标网络的最佳路径，如OSPF协议；
   • 路径向量算法：主要用于防止路由环路，如BGP协议。
4. 按应用范围分：
   • 单播路由：负责将数据包从一个单一的源地址转发到一个唯一的目的地址；
   • 组播路由：将数据包从一个源地址转发到多个接收者（都加入了组播地址），适用于视频会议、在线直播等；
   • 广播路由：在局域网内将数据包发送给所有设备，适用于发现服务或设备，如发送DHCP服务请求。

3 选路规则

当路由器收到一个需要转发的数据包时，会在路由表中查找匹配目的ip地址的路由条目，而选路规则即决定了在找到多个匹配条目时，哪一条是最优的、应该被用来转发数据包。

核心规则（按优先级顺序排列）：

1. 最长前缀匹配（LPM，Longest Prefix Match）：路由器查找路由表中网络地址部分（由子网掩码定义）与数据包目的ip地址匹配位数最多的路由条目。更长的前缀意味着更具体的网络范围，指向更精确的下一跳。前缀匹配过程： 将数据包的目的ip地址与本地路由表中每个路由条目的子网掩码进行按位逻辑与运算，得到的结果再与路由条目中的网络地址进行比较。举例： 有一个待转发的数据包目的ip为192.168.1.2，路由表中有一条路由条目为192.168.1.0/24。

    1. 将目的ip地址192.168.1.2与子网掩码255.255.255.0进行逻辑与运算，得到结果192.168.1.0；
    2. 将结果与路由条目网络地址192.168.1.0进行比较，发现匹配，则该路由条目被选中。

2. 最低管理距离（AD，Administrative Distance）：也叫路由优先级Preference，当存在多条指向同一目的网络的路由条目、且具有相同的最长前缀长度时，比较管理距离，管理距离数值越小越优先。常见路由协议的默认管理距离：

    +--------------------+--------------------+
    | 路由类型 | 默认协议优先级 |
    | 直连路由（Direct） | 0 |
    | OSPF | 10 |
    | IS-IS | 15 |
    | 静态路由（Static） | 60 |
    | IGRP | 80 |
    | RIP | 100 |
    | OSPF ASE（自治系统外部路由） | 150 |
    | OSPF NSSA（非完全末梢区域路由） | 150 |
    | IBGP | 255 |
    | EBGP | 255 |
    +--------------------+--------------------+

3. 最低度量值（Metric）：当存在多条来自同一种路由协议、指向同一目的网络、且具有相同最长前缀长度的路由条目时，再比较度量值，度量值数值越小越优先。度量值是路由协议内部计算出的到达目的网络路径的代价，不同协议有不同的计算方法，比如RIP以跳数（经过路由器数量）作为度量值，OSPF以开销Cost（基于接口带宽）作为度量值，EIGRP则以复合度量值（默认包含带宽、延迟，可选可靠性、负载、MTU等）作为度量值，BGP以路径属性组合（如AS_PATH长度、LOCAL_PREF、MED等）作为度量值。
4. 其他高级规则（特定协议或场景）：如在BGP协议中，如果上述3条规则比较结果均相同，还可以进行更多精细的属性比较。

4 匹配原则

路由匹配原则描述路由器如何在路由表中查找与数据包目的ip地址对应的路由条目的过程。

核心原则：

1. 精确匹配（最长前缀匹配）： 路由器将数据包目的ip地址与路由表中每个路由条目的子网掩码进行按位逻辑与运算，如果结果等于该路由条目的网络地址，则认为该条目匹配；在所有匹配的条目中，选择前缀长度最长（子网掩码最长）的那一条；
2. 顺序无关（基于目的网络的查找）： 路由条目在表中存储的物理顺序不影响匹配结果；
3. 递归查找： 也叫路由迭代，如果匹配到的路由条目的下一跳地址不是直连接口，而是另一个ip地址时：

    1. 路由器以这个下一跳ip地址作为新的目的ip地址，再次查找路由表，找到一条能够到达“下一跳路由器”的路由；
    2. 上述过程可能递归多次，直到找到最终指向一个直连接口的路由条目，数据包才能被发送出去。

4. 默认路由（0.0.0.0/0）： 能匹配任何目的ip地址，是一个兜底的路由条目，通常指向一个默认网关。

5 路由过程

当路由器接收到一个数据包需要进行路由转发时：

1. 提取目的ip地址：从数据包头部提取目的ip地址；
2. 查找路由表：根据最长前缀匹配原则进行匹配；
3. 处理多条最长匹配：如果有多条最长匹配路由条目，则先比较管理距离，再比较度量值；
4. 确定下一跳和出接口：根据选出的最有路由条目，确定数据包的下一跳ip和出接口；
5. 递归查找（如有需要）：如果下一跳为非直连接口，则重复步骤“2. 查找路由表”的过程，直到找到直连出接口；
6. 转发数据包：将数据包封装到以太网帧中并通过出接口转发出去。