路由器如何工作？作用是什么？最硬核科普！学会后可网工级 ...

葡萄枝

【好玩的网络】系列面向普通人的网络科普视频。

路由器的作用是什么？
如何实现跨子网通信？
路由器的工作原理简介， route表。
好玩的网络第三期！不定期更新。视频传送门
路由器参数解读传送门



本系列视频/图文

嗨，大家好！我是你们的小伙伴果子。上一期视频，我们对IP地址，网段，子网有了一定的认识，我们知道，只要配置好IP地址和子网掩码，使两台主机的IP地址属于同一个网段，这两台主机就能通讯了。这一期，我们讲讲跨子网通讯和路由器。
1.引言

我们之前讲过交换机，交换机是一个数据转发设备，在OSI模型中的第二层,数据链路层工作，通过MAC地址和交换机端口号的对应关系来转发数据包，忘记的小伙伴可以看我的第1期视频。而我们今天要讲路由器在OSI模型中的第3层“网络层”工作，是一个三层转发设备。我们所说的多少层，不是说设备只在这一层工作，而是最少能到达到这一层。



路由器在OSI模型中的工作层级

2.路由器的结构与分类：

路由器的本质就是一台电脑，通常插着两张网卡，其中一张网卡连接广域网WAN，另外一张网卡连接局域网LAN。WAN的IP地址由上级网络分配，LAN的IP地址我们可以自己设置。家用路由器一般有自己的默认Lan口IP地址，一般是192.168.1.1/24，在包装说明书或路由器背面的铭牌中都有写明，此地址也是路由器的默认管理地址。



路由器的本质，另外家用路由器是路由交换一体机

更高级的路由器可以有多个WAN口，甚至可以添加虚拟网卡，可以实现“单线多播”负载均衡叠加网速等更高级的功能。另外，路由器也分为硬件路由器和软路由。所谓的硬路由就是我们直接从网上购买到的路由器，主要实现路由功能。而软路由则是在普通电脑上安装openwrt，爱快等路由器系统，实现路由功能的设备，主要是为了实现广告过滤，搭建网络隧道等功能。我们以后会在centos系统中实现部分功能。
3.路由器的功能1：寻址与转发

3.1.路由规则

路由器最主要的作用就是实现跨网段的数据传输与转发。就像交通路标一样，指引着车辆和行人的行动，这种指引行为就叫路由，路由器通过路由表来记录转发规则。我们先来看看路由表长什么样吧。因为普通路由器无法查看路由表，所以我在centos7系统上进行演示。



路由器主要是为了实现跨子网的传输

我们在centos系统中输入route -n命令，就可以查询路由表，查询到的路由表有8列，其中第1列Destination为目的地址，第2列Gateway为网关地址，也叫“下一跳”，第3列Genmask为网关掩码，第8列Iface为网卡接口。



查询路由表的方法，路由表

我们将第1列与第3列合并起来，会惊奇地 发现，第一列不就是网络地址吗？忘记的同学可以翻看第2期视频。Flag带有G的规则代表网关规则，若数据包的目的IP地址与路由表中目的地址匹配，路由器会将数据包转发到Gateway中的网关地址。如果flag不带G，说明本条规则不是网关规则，目标地址肯定就在本地链路，通过同一个交换机相连。



如何看路由表

举个例子，如果想发送数据给百度的服务器39.156.69.79，匹配到的目的地址是0.0.0.0/0，那么这个数据包就会被转发给网卡eth0，走默认网关192.168.0.1。



局域网内发送消息给百度

如果数据包的目的地是我的办公室的主机，IP地址为192.168.2.12，那么会同时符合两个目的网段，0.0.0.0/0和192.168.2.0/24，但是路由器会优先匹配更精确的规则，所以数据包通过tun0网卡转发给网关192.168.10.12。



数据包发送到办公室

3.2网络数据包的长距离传输：

网络数据包长距离传输的过程中，会经过一个个的路由器，我们拿局域网内一台主机和百度的通讯举个例子，假设局域网内一台主机192.168.0.4/24要访问公网上的百度主机39.156.69.79。主机查询自己的路由表，把数据包发送给谁呢？
主机查询自己的路由表，把数据包发送给默认网关192.168.0.1（路由器LAN端IP地址）。路由器收到数据包后，继续发送给更上级的默认网关（运营商的路由器），经过多个路由的传递，最终百度主机就会收到信息了。
我们在centos系统中，可以使用traceroute -n http://baidu.com的命令查看中途经过了哪些路由器。我们很清晰地看到，第一个经历的路由器就是我们自己的路由器192.168.0.1，第二个路由器是运营商的路由器，27.19.176.1，中间的路由器都是城市路由的节点。



到百度主机经历的路由器

3.3.路由规则的获得

路由器如何获得路由规则？
路由器想要实现路由功能，首先路由器本身得知道数据应该向哪里传。路由器得知这些信息的方式大致有3种，第一种方式是直连路由；第二种是通过手动添加路由规则，也就是静态路由。第三种是通过动态路由协议获得的路由，一般在城市或大型企业网络运用比较多，家庭网络甚至小型企业根本用不上，我们主要了解一下前两种方法。
第一种方式是直连路由。
当主机正确配置好一个IP地址后，会自动生成一条目的地址为该子网的路由。例如树莓派的网卡eth0通过dhcp获得192.168.0.4/24的ip地址，那么会自动产生一条目的地址为网段192.168.0.0/24的路由。如果我在网卡tun0上手动设置IP地址为192.168.10.4/24，也会增加192.168.10.0/24的路由。



第二种方式是手动添加静态路由。
例如我添加目的地址为我办公室的子网192.168.2.0/24，网关地址为192.168.10.12，因为树莓派本机根本不知道192.168.2.0/24的子网在哪里，所以必须手动设置。再例如，在mac系统中，手动配置IP地址时，填写的网关或路由，会生成路由表中的默认路由。



4.路由器的功能2:DHCP服务器功能

路由器的第二个功能为DHCP服务器。
DHCP的全称为Dynamic Host Configuration Protocol，也叫动态主机配置协议。 路由器有自带的DHCP服务器，为接入的设备自动分配IP地址，若要使用此功能，需要在路由器上开启DHCP功能。通过DHCP服务器，可以将配置好的IP地址池，子网掩码，网关信息，DNS信息下发给下联的网络设备。需要注意的是，即便路由器的DHCP功能是开启的，主机仍然可以强制手动设置IP地址，子网掩码等，只要这些和路由器管理地址处于同一个网段，IP地址不冲突，仍然可以正常和路由器通讯以及上网。特别值得注意的是，同一个LAN中，最多只能有一个DHCP服务器处于开启状态，否则可能会导致下联的设备不能正确的获取网络配置，从而导致无法上网。



路由器的DHCP功能

5.路由器的功能3:源地址转换NAT

路由器第三个重要功能，就是利用NAT技术为本地局域网做源IP地址转换SNAT。
NAT的全称是Network Address Translation，S的含义是source，也叫IP伪装技术。我们知道，局域网主机ip地址192.168.0.4/24是一个私有地址，可能邻居家也有这个地址。假设发送到公网的地址也是用这个地址的话，百度主机要给我们返回数据包的时候，由于目的地址是私有地址，中途根本不知道会传到哪里。所以，数据包在出路由器之前，路由器会将该数据包的源IP地址伪装成路由器WAN口的公网IP地址，这样百度想要返回数据包时，目的地址是公网IP地址了，数据包就能顺利传回来了。路由器收到传回来的数据包后，会自动做目的地址转换DNAT，将目的地址从公网IP转换为刚才发送消息的主机192.168.0.4，这样内部主机就能顺利接收信息了，路由器内部所有的设备也都能通过这种方式上网了。



局域网能访问公网的原理

6.路由器的功能4:目的地址转换，端口映射，DMZ主机

路由器第四个重要功能，是端口映射或dmz主机。
这个也是利用NAT技术做目的IP地址转换或目的端口转换。不过此行为的目的是为了从公网主动访问内网。一般情况下，一台计算机从公网想要主动连接局域网内的一台计算机是不可能的，因为数据包的目的IP地址是公网地址，发送到路由器WAN口后，路由器以为这个数据包是传给自己的，然而实际却不是给自己的。在路由器上配置端口映射后，当公网主动传来数据包时，路由器判断是否要将数据转发给内部主机。假设在路由器上配置dmz主机，内网主机地址为192.168.0.4，那么路由器收到公网发送的数据包后，会把数据包的目的IP地址改为192.168.0.4，重新封装后转发给内部的树莓派。此行为相当于将树莓派主机直接映射在公网环境中，这样就能实现从公网主动访问内部主机了。



公网能主动访问局域网主机的原理

7.无线路由器：无线桥接和有线桥接

无线路由器和有线路由器，除了无线发射功能外没有本质区别，只是在LAN口桥接了一个无线网，能够收发无线信号而已。
无线桥接和有线桥接功能理解起来也非常简单，唯一的目标是想办法把两个路由器的LAN合并到一起。
我们只需要知道下面两个关键点，就能掌握好桥接。
1.在一个lan中IP地址必须唯一，因此，从路由的LAN必须和主路由属于同一网段并IP地址唯一。
2.在一个lan中最多只能有一个dhcp服务器，因此要把从路由的DHCP功能关闭。



无线桥接和有线桥接

8.本期总结

到现在为止，我们已经可以实现跨子网的访问了，并知道如何去配置路由器。
如何配置静态路由和dmz主机？如何从公网访问内网主机以及稳定的ddns？
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本期视频问题及参考答案：
问题1:使用桥接，从路由的Wan口充当什么角色？“从路由”充当什么角色？
答：
有两种类型家用路由器。 Case1若从路由没有AP模式，使用桥接模式时，从路由器的WAN口不起任何作用，不接任何设备，不配置任何IP地址信息。从路由充当无线交换机的角色。 Case2若从路由有AP模式，并开启AP模式，使用桥接模式时，从路由的WAN口与主路由的LAN口相连，但是WAN口不起“网关”的作用，nat也会被关闭。从路由仍然充当无线交换机的角色。 注意：即便是路由器有AP模式，仍然可以像case1中的操作也完全不影响下联设备上网，但是有可能路由器部分管理功能可能会被限制。
问题2:我在最后讲无线桥接时，在视频中讲到“必须”要保证路由器的LAN口ip地址和主路由Lan口IP地址在同一网段而且唯一。真的是这样吗？请大家思考一下，如果主路由配置不变192.168.0.1/24（开启dhcp），从路由强制设置Lan口IP地址为192.168.5.1（关闭dhcp）。这时，1.通过从路由无线网接入的设备（设备获取IP方式为dhcp或自动获取），是否能正常上网？2.设备获取到的IP地址属于哪个网段？3.现在如何访问从路由管理界面？
答：
2.1能正常上网，下联设备完全不受影响。 2.2 获取到的ip地址在网段192.168.0.0/24中。 2.3 客户端手动设置ip地址192.168.5.2/24，浏览器访问192.168.5.1
下一期视频，带大家分析家庭组网，包括如何设计接线，设备摆位等等，非常简单！希望你们有收获。
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后期再对评论中的一些其他方法一一做解释，比如改掩码，静态路由等等。



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