記錄一下學習筆記，這篇大多參考《網絡是怎么連接的》，感興趣的同學建議直接讀這本書，我這里做一些自己的筆記
路由器是什么
路由器是連接兩個或多個網絡的硬件設備，在網絡間起網關的作用。簡單來說，路由器就是用來連接兩個或多個不同的局域網的。即一個局域網里面的網絡請求要訪問外面，就需要路由器作為網關，通過路由器訪問出去。
路由器就是用來連接兩個或多個不同的局域網的
路由器的每個端口都相當一個網卡，都有IP地址，每個端口都可以連接一個局域網，而且每個端口的IP和連接的局域網是同一個網段
路由器也是特殊的計算機，可以理解為精簡的計算機，專門用來處理網絡層，作為網關使用，所以我們的計算機也可以作為路由器，但是我們的計算機包含的功能更多，即計算機包含路由器。
路由器是如何工作的 路由器的基本原理
路由器的工作位于TCP/IP協(xié)議的第三層網絡層，前一篇博客講的交換機位于底層數(shù)據(jù)鏈路層。路由器在網絡層把數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)包接收進來，然后IP是否是給自己的，是的話就接收，不是則丟棄。
路由器的各個端口都具有 MAC 地址和 IP 地址
路由器轉發(fā)包和上一篇的交換機轉發(fā)包類似，路由器在轉發(fā)包時，首先會通過端口將發(fā)過來的包接收進來，這一步的工作過程取決于端口對應的通信技術。對于以太網端口來說，就是按照以太網規(guī)范進行工作，而無線局域網端口則按照無線局域網的規(guī)范工作，總之就是委托端口的硬件將包接收進來。接下來，轉發(fā)模塊會根據(jù)接收到的包的 IP 頭部中記錄的接收方 IP 地址，在路由表中進行查詢，以此判斷轉發(fā)目標。然后，轉發(fā)模塊將包轉移到轉發(fā)目標對應的端口，端口再按照硬件的規(guī)則將包發(fā)送出去，也就是轉發(fā)模塊委托端口模塊將包發(fā)送出去的意思。這就是路由器的基本原理
再做一些補充。剛才我們講到端口模塊會根據(jù)相應通信技術的規(guī)范來執(zhí)行包收發(fā)的操作，這意味著端口模塊是以實際的發(fā)送方或者接收方的身份來收發(fā)網絡包的。以以太網端口為例，路由器的端口具有 MAC 地址 ，因此它就能夠成為以太網的發(fā)送方和接收方 。端口還具有 IP 地址，從這個意義上來說，它和計算機的網卡是一樣的。當轉發(fā)包時找不到網頁ip，首先路由器端口會接收發(fā)給自己的以太網包 ，然后查詢轉發(fā)目標，再由相應的端口作為發(fā)送方將以太網包發(fā)送出去。這一點和交換機是不同的，交換機只是將進來的包轉發(fā)出去而已，它自己并不會成為發(fā)送方或者接收方
路由表是怎么樣的？
路由器是基于IP設計的，故路由器是根據(jù)IP來轉發(fā)數(shù)據(jù)包的，，但是交換機是根據(jù)MAC地址轉發(fā)的，里面有一張MAC地址表，所以路由器內部也有一張路由表，根據(jù)路由表里面的IP來轉發(fā)相應的端口。
其實我們本地的計算機也有路由表，我們可以看看在按win+R輸入cmd，打開命令函，輸入route print可以看到本機的路由表
名稱結束
目標地址
網段，實際上這里的 IP 地址只包含表示子網的網絡號部分的比特值，而表示主機號部分的比特值全部為 0，路由器會將接收到的網絡包的接收方 IP地址與路由表中的目標地址進行比較，并找到相應的記錄。交換機在地址表中只匹配完全一致的記錄，而路由器則會忽略主機號部分，只匹配網絡號部分
此列顯示目標地址的子網掩碼，真正的網絡號是通過IP地址和子網掩碼與運算得出，目標地址和子網掩碼是用來計算目標網絡號的
網關
根據(jù)目標地址和子網掩碼匹配到某條記錄后，路由器就會將網絡包交給接口列中指定的網絡接口（即端口），并轉發(fā)到網關列中指定的 IP 地址，如果網關IP為空，則目標地址就是實際的轉發(fā)IP地址
接口
本路由器的出口ip
躍點數(shù)
躍點計數(shù)，它表示距離目標 IP 地址的距離是遠還是近。這個數(shù)字越小，表示距離目的地越近；數(shù)字越大，表示距離目的地越遠 。一般情況下，如果有多條到達相同目的地的路由記錄，路由器會采用值小的那條路由
注：
在鏈路上，表示數(shù)據(jù)傳輸不經過其他網絡和路由器，即目標地址和當前路由是在同一局域網里面，不需要再經過下一跳的路由器
描述目標地址是怎么匹配目的IP地址
這里得先簡單復習一下子網掩碼，子網是用來區(qū)分我們的IP地址的網絡號和主機號的
例如我們查看IP地址，我們的IP地址是192.168.1.20,子網掩碼：255.255.255.0，即192.168.1.20/24,那么就表示192.168.1是IP段的網絡號，后面的20是這個IP段的主機號。
在匹配地址的過程中，路由器需要知道網絡號的比特數(shù)，因此路由表中還有一列子網掩碼，通過這個值就可以判斷出網絡號的比特數(shù)。匹配數(shù)據(jù)包和路由器的目標地址對上的網絡號的記錄即可。
為什么需要子網掩碼區(qū)分網絡號和主機號
就好比寄快遞一樣，得寫明哪個小區(qū)哪個房間號，小區(qū)就像網絡號，房間號就像主機號。寫明了快遞員就可以把東西寄到相應的小區(qū)，再由小區(qū)轉發(fā)到房間號，這樣分類效率大幅提高。所以我們在路由器也是這樣，找到對應網絡號的就轉出去就可以了，如果沒有網絡號，路由器就要保存大量主機號的IP，數(shù)據(jù)量多時每次查詢效率就會很低，如果有網絡號路由器保存的記錄就會減少很多。
路由聚合
有一些例外，有時地址本身的子網掩碼和路由表中的子網掩碼是不一致的，這是路由聚合的結果。路由聚合會將幾個子網合并成一個子網，并在路由表中只產生一條記錄。要搞清楚這個問題，我們還是看一個例子。如圖 3.14 所示，我們現(xiàn)在有 3 個子網，分別為路由器會忽略主機號，只匹配網絡號。10.10.1.0/24、10.10.2.0/24、10.10.3.0/24，路由器 B 需要將包發(fā)往這 3 個子網。在這種情況下，路由器 B 的路由表中原本應該有對應這 3 個子網的 3條記錄，但在這個例子中，無論發(fā)往任何一個子網，都是通過路由器 A 來進行轉發(fā)，因此我們可以在路由表中將這 3 個子網合并成 10.10.0.0/16，這樣也可以正確地進行轉發(fā)，但我們減少了路由表中的記錄數(shù)量，這就是路由聚合。經過路由聚合，多個子網會被合并成一個子網，子網掩碼會發(fā)生變化，同時，目標地址列也會改成聚合后的地址。
還有一種情況，如果子網掩碼為 255.255.255.255，也就是說地址中的全部 32 個比特都為 1。這樣一來，主機號部分比特全部為 0 可以表示一個子網，主機號部分比特不全部為 0 可以表示某一臺計算機，這種情況表示目標地址就是實際的主機號，和路由器在同一局域網上。
路由表匹配到多條記錄如何處理
如果匹配符合的記錄有多個，例如192.168.1.10匹配到路由表的目標地址的兩行記錄：192.168.1.0/24,192.168.1.10/32，這種情況，路由器首先尋找網絡號比特數(shù)最長的一條記錄 。網絡號比特數(shù)越長，說明主機號比特數(shù)越短，也就意味著該子網內可分配的主機數(shù)量越少，即子網中可能存在的主機數(shù)量越少，這一規(guī)則的目的是盡量縮小范圍，所以根據(jù)這條記錄判斷的轉發(fā)目標就會更加準確。
然而，有時候路由表中會存在網絡號長度相同的多條記錄，例如考慮到路由器或網線的故障而設置的備用路由就屬于這種情況。這時，需要根據(jù)躍點計數(shù)的值來進行判斷。躍點計數(shù)越小說明該路由越近，因此應選擇躍點計數(shù)較小的記錄。
找不到匹配路由時選擇默認路由
路由器的IP如果匹配不到，就會直接丟失，不會像交換機一樣廣播。但是實際我們路由表還有一行默認路由（發(fā)往更高層級的路由），目標地址為0.0.0.0，子網掩碼為 0.0.0.0的記錄，即匹配所有IP，如果找不到其他網絡號更長的記錄，就會把數(shù)據(jù)包轉發(fā)到默認的路由記錄上去。
路由表中子網掩碼為 0.0.0.0 的記錄表示“默認路由”。
如果在路由表中無法找到匹配的記錄，路由器會丟棄這個包，并通過ICMPA 消息告知發(fā)送方 。這里的處理方式和交換機不同，原因在于網絡規(guī)模的大小。交換機連接的網絡最多也就是幾千臺設備的規(guī)模，這個規(guī)模并不大 。如果只有幾千臺設備，遇到不知道應該轉發(fā)到哪里的包，交換機可以將包發(fā)送到所有的端口上，雖然這個方法很簡單粗暴，但不會引發(fā)什么問題。然而，路由器工作的網絡環(huán)境就是互聯(lián)網，它的規(guī)模是遠遠大于以太網的，全世界所有的設備都連接在互聯(lián)網上，而且規(guī)模還在持續(xù)擴大，未來的互聯(lián)網里到底會有多少設備，我們誰都說不準。在如此龐大的網絡中，如果將不知道應該轉發(fā)到哪里的包發(fā)送到整個網絡上，那就會產生大量的網絡包，造成網絡擁塞。因此，由器遇到不知道該轉發(fā)到哪里的包，就會直接丟棄。
為什么路由器不能找不到對應IP，不能像交換機一樣廣播？因為路由器連接了多個局域網，可能還連接了互聯(lián)網，連接的設備數(shù)量非常大，廣播會形成網絡擁塞，而交換機只連接了一個局域網，里面的設備有限，所以路由器遇到找不到的IP匹配的記錄，就會丟掉。
路由表的記錄是如何維護的
但是默認路由是怎么配置上去的？正常是通過路由協(xié)議自動發(fā)現(xiàn)路由器之間的其他路由器后自動配置的。
路由表記錄維護的方式和交換機也有所不同。交換機中對 MAC 地址表的維護是包轉發(fā)操作中的記錄MAC地址，而路由器中對路由表的維護是與包轉發(fā)操作相互獨立的，也就是說，在轉發(fā)包的過程中不需要對路由表的內容進行維護。對路由表進行維護的方法有幾種，大體上可分為以下兩類。
路由器具體的工作流程
來看一看路由器的整個工作過程。
首先，路由器是工作在網絡層的，路由器會接收網絡包。路由器的端口有各種不同的類型，這里我們只介紹以太網端口是如何接收包的。以太網端口的結構和計算機的網卡基本相同，接收包并存放到緩沖區(qū)中的過程也和網卡幾乎沒有區(qū)別。首先，信號到達網線接口部分，將信號轉換為數(shù)字信息，然后通過包末尾的 FCS 進行錯誤校驗，如果沒問題則檢查 MAC 頭部中的接收方 MAC 地址，看看是不是發(fā)給自己的包，如果是就放到接收緩沖區(qū)中，否則就丟棄這個包。如果包的接收方 MAC地址不是自己，說明這個包是發(fā)給其他設備的，如果接收這個包就違反了以太網的規(guī)則。
路由器的端口都具有 MAC 地址，只接收與自身地址匹配的包， 遇到不匹配的包則直接丟棄。
完成包接收操作之后，路由器就會丟棄包開頭的 MAC 頭部。MAC 頭部的作用就是將包送達路由器，其中的接收方 MAC 地址就是路由器端口的 MAC 地址。因此，當包到達路由器之后，MAC 頭部的任務就完成了，于是 MAC 頭部就會被丟棄。
通過路由器轉發(fā)的網絡包，其接收方 MAC 地址為路由器端口的MAC 地址。
然后根據(jù)包里面發(fā)送的目的地IP地址，在路由表中進行匹配，匹配到的記錄，如果網關IP不為空，則網關IP是發(fā)往下一個的地址，如果網關為空，則目標地址的IP是發(fā)往下一個的地址。這里我們有了發(fā)往下一個地址的IP，但是在重新封裝包的時候需要寫入的下一個地址的MAC地址，這個時候我們還不知道下一個地址的MAC地址，知道對方的 IP 地址之后，接下來需要通過 ARP 根據(jù) IP 地址查詢 MAC 地址，并將查詢的結果作為接收方MAC 地址。路由器也有 ARP 緩存，因此首先會在 ARP 緩存中查詢，如果找不到則發(fā)送 ARP 查詢請求。
路由器也會使用 ARP 來查詢下一個轉發(fā)目標的 MAC 地址。
把查詢到的MAC頭部加入數(shù)據(jù)包（上一個MAC地址包被丟掉），最后網絡包封裝完成后，接下來會將其轉換成電信號并通過端口發(fā)送出去。這一步的工作過程和計算機也是相同的。如果輸出端口為以太網，則發(fā)送出去的網絡包會通過交換機到達下一個路由器。由于接收方 MAC 地址就是下一個路由器的地址，所以交換機會根據(jù)這一地址將包傳輸?shù)较乱粋€路由器。
接下來，下一個路由器會將包轉發(fā)給再下一個路由器，經過層層轉發(fā)之后，網絡包就到達了最終的目的地。
路由器是如何連上互聯(lián)網的
你的電腦先在應用層打包一個 HTTP報文找不到網頁ip，然后在傳輸層在打包成 TCP報文，然后再根據(jù) DNS 查到的 IP 在網絡層打包成 IP數(shù)據(jù)報，然后在通過鏈路層打包成以太網數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給你的交換機。交換機收到后，重新包裝數(shù)據(jù)幀，再發(fā)送給路由器，路由器根據(jù)路由表查詢轉發(fā)的下一個路由IP，然后根據(jù)ARP協(xié)議獲取下一個轉發(fā)的IP的MAC地址，路由器重新封裝包發(fā)給下一個路由，經過互聯(lián)網的多個路由接力，隨著這一過程反復執(zhí)行，包就會最終到達 IP 的目的地，被服務器接收到，服務器程序處理完后返回這一網頁的HTTP報文，再傳輸回給用戶，這樣用戶的電腦就能看到服務器返回的網頁了。
路由器和交換機的區(qū)別
要理解兩者之間的關系，關鍵點在于計算機在發(fā)送網絡包時，或者是路由器在轉發(fā)網絡包時，都需要在前面加上 MAC 頭部。之前的講解都是說在開頭加上 MAC 頭部，如果看圖 3.16 大家可以發(fā)現(xiàn)，準確的說法應該是將 IP 包裝進以太網包的數(shù)據(jù)部分中。也就是說，給包加上 MAC 頭部并發(fā)送，從本質上說是將 IP 包裝進以太網包的數(shù)據(jù)部分中，委托以太網去傳輸這些數(shù)據(jù)。IP 協(xié)議本身沒有傳輸包的功能，因此包的實際傳輸要委托以太網來進行。路由器是基于 IP 設計的，而交換機是基于以太網設計的，因 此 IP 與以太網的關系也就是路由器與交換機的關系。詳細的后面再總結一篇《計算機網絡-路由器和交換機的區(qū)別》
參考：
戶根勤《網絡是怎樣連接的》