28_路由（八），完成路由 ## 网络协议那些事儿28_路由（八），完成路由网络协议那些事儿内容简介前言上一课

28_路由（八），完成路由

网络协议那些事儿

内容简介

前言

上一课我们用虚拟机软件 VirtualBox 创建了三个虚拟机，也学习了 VirtualBox 提供的强大的克隆功能，我们创建的三个虚拟机分别叫作 Ubuntu01， Ubuntu02 和 Ubuntu03。如下图：

当然了，你也可以用 VMware 这样的虚拟机软件。

这一课我们就来配置这三个虚拟机里面的 Linux 的网络，以完成下图所示的网络架构：

完成路由的实践

现在，我们只需要配置虚拟机的网络即可。首先，我们要创建一个 NAT 网络（我们之后的课程会详细学习 NAT（Network Address Translation 的缩写，表示 “网络地址转换”））。

在 VirtualBox 的菜单栏中，打开 “偏好设置”（Preferences，也可能叫作 “首选项” 或“属性”）：

在打开的 “偏好设置” 窗口，点击 “ 网络” 选项，如下图所示：

可以看到这里是 NAT 网络的管理区域。可以添加、删除、编辑 NAT 网络。目前暂时没有任何 NAT 网络，我们添加一个，点击带加号的网卡图标（用红框标识出来的）：

点击之后，会添加如上图所示的名叫 NatNetwork 的 NAT 网络。然后我们可以编辑此网络，点击带齿轮符号的网卡图标（用红框标识出来的），会打开如下图所示的小窗口：

你可以修改此 NAT 网络的名称，网络的 CIDR 的值（就跟我们学习过的网络的表示法一样）。我们可以不修改，就用这里默认的值，网络是 10.0.2.0/24（当然，你也可以设置为其他值，例如 10.0.0.0/24）。记得保证 “支持 DHCP” 这个选项是被选中的，以便我们的虚拟机能够在需要时自动被分配 IP 地址。点击 “OK” 或者“Cancel”，关闭此窗口即可。

好的，我们创建了一个 NAT 网络，现在需要让虚拟机连接到该网络。

首先，我们配置第一个虚拟机（也就是 Ubuntu01）的网络。进入 Ubuntu01 这个虚拟机的 “设置”->“网络”：

可以看到，有四张虚拟网卡，网卡 1 是默认配置为 “启用网络连接” 的，网卡 2、网卡 3 和网卡 4 默认都没有启用。默认网卡 1 的连接方式是“网络地址转换(NAT)”，我们将其改为“NAT 网络”：

“界面名称” 就设置为我们刚才配置的 NatNetwork 这个 NAT 网络，我们这里因为只创建了一个 NAT 网络，所以它自动为我们配置了 NatNetwork 这个网络。

高级选项里面，暂时不需要修改什么。不过保险起见，建议你单击 MAC 地址右侧的圆形箭头图标，用于 “生成一个新的随机 MAC 地址”，以确保虚拟机上没有两次使用相同的 MAC 地址：

点击了圆形箭头图标后，MAC 地址就变成了新的随机的 MAC 地址：

点击 “OK” 来保存、退出。在 VirtualBox 的管理器界面中，可以看到 Ubuntu01 这个虚拟机的信息一栏里面的网络信息显示如下：

接着，我们对另外两个虚拟机（Ubuntu02 和 Ubuntu03）也执行相同的配置，以使这三个虚拟机都连接到 NatNetwork 这个网络。

现在，我们启动这三台虚拟机。

三台虚拟机启动后，用创建 Ubuntu01 这台虚拟机时创建的用户名和密码来登录（我自己创建的用户名是 oscar，密码是 123456）：

因为 Ubuntu02 和 Ubuntu03 这两台虚拟机都是克隆自 Ubuntu01，登录之后可以发现这三台虚拟机的主机名都是 ubuntu01，如下图所示：

目前，在三台虚拟机上，我们都是以普通用户的身份登录的（比如我是以 oscar 这个普通用户的身份登录的），我们可以切换为 root 用户，就是系统的大管家，拥有所有权限，这样运行很多命令的时候比较方便，不需要每次都在命令前加 sudo 这个提权命令。

切换为 root 用户，可以运行如下命令：

然后输入你的普通用户的密码（比如我的 oscar 这个用户的密码是 123456），就能切换为 root 用户了：

可以看到，切换为 root 用户之后，命令行提示符就从例如 oscar@ubuntu01:~$ 变为了 root@ubuntu01:/home/oscar#，表示目前我们已经是 root 用户的身份。

对 Ubuntu02 和 Ubuntu03 这两个虚拟机也做同样的操作，都从普通用户切换为 root 用户。

之前我们说目前这三台虚拟机的主机名都是 ubuntu01，我们来修改一下 Ubuntu02 和 Ubuntu03 这两台虚拟机中的 Linux 系统的 /etc/hostname 这个文件，来重命名主机名（host 是 “主机” 的意思，name 是 “名字” 的意思），分别将其修改为 ubuntu02 和 ubuntu03。你可以用 Vim 等文本编辑器来修改 /etc/hostname 这个文件，也可以用以下命令来修改主机名：


hostnamectl set-hostname ubuntu02


hostnamectl set-hostname ubuntu03

以上命令的运行需要 root 权限。修改完之后，使用 reboot 命令重新启动 Ubuntu02 和 Ubuntu03 这两个虚拟机，以使修改生效。

重新启动之后，可以看到命令行提示符中的主机名已经变成了对应的 ubuntu02 和 ubuntu03。

现在，我们为这三台虚拟机配置以下 IP 地址：

在 Ubuntu01 这台虚拟机上，设置 IP 地址为 192.168.10.1/24；
在 Ubuntu02 这台虚拟机上，设置 IP 地址为 192.168.10.254/24；
在 Ubuntu03 这台虚拟机上，设置 IP 地址为 192.168.11.1/24。

在 Ubuntu01 这台虚拟机上，运行以下命令：

ifconfig enp0s3 192.168.10.1 netmask 255.255.255.0

在 Ubuntu02 这台虚拟机上，运行以下命令：

ifconfig enp0s3 192.168.10.254 netmask 255.255.255.0

在 Ubuntu03 这台虚拟机上，运行以下命令：

ifconfig enp0s3 192.168.11.1 netmask 255.255.255.0

现在，我们尝试在 Ubuntu01 这台虚拟机上测试一下到 Ubuntu02 这台虚拟机的网络连接，用 ping 192.168.10.254 命令：

要停止 ping 命令，可以使用 Ctrl + c 组合键。

可以看到 ping 命令成功了，从 Ubuntu01 可以连接到 Ubuntu02。

现在，我们在 Ubuntu01 这台虚拟机上测试一下到 Ubuntu03 这台虚拟机的网络连接，用 ping 192.168.11.1 命令：

这次 ping 命令没有成功。这是很正常的，因为 Ubuntu01 和 Ubuntu03 不在同一个网络中。没有路由器连接这两个网络，所以无法彼此通信。

因此，我们需要在 Ubuntu03 所属的网络（192.168.11.0/24）中为 Ubuntu02 这台虚拟机添加一个接口，以连接这两个网络。此接口就充当一个网关的作用，地址是 192.168.11.254，如之前的网络图所示。

路由器配置

我们让 Ubuntu02 这个虚拟机扮演路由器的角色，首先要做的是在 192.168.11.0/24 这个网络中为它添加一个额外的 IP 地址。

但是你会说：“目前 Ubuntu02 这台虚拟机只有一张网卡呀！”

没关系，因为在 Linux 中，我们可以向一个网络接口添加任意数量的 IP 地址。我们将创建一个名为 enp0s3:0 的虚拟网络接口。

ifconfig enp0s3:0 192.168.11.254 netmask 255.255.255.0

可以看到，现在我们有两个网络接口，每个接口在两个网络里各有一个 IP 地址。在 192.168.10.0/24 这个网络中，接口的 IP 地址是 192.168.10.254。在 192.168.11.0/24 这个网络中，接口的 IP 地址是 192.168.11.254。

好的，我们已经差不多准备好进行路由了。为什么说差不多呢？

因为目前 Ubuntu02 还只是一台普通的机器，会拒绝不是发给自己的 IP 地址的数据包。为了使其表现得像路由器，必须激活路由功能。要激活路由功能非常简单，只要将 /proc/sys/net/ipv4/ip_forward 这个文件的值从 0 改为 1，运行以下命令即可：


echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

很好，我们的 Ubuntu02 现在已经是一台路由器了！

我们可以在 Ubuntu01 上测试一下到 Ubuntu03 的网络连接，用 ping 192.168.11.1 命令：

为什么 ping 命令还是不成功呢？

这是正常的，因为目前 Ubuntu01 还不知道为了将数据包发给 Ubuntu03，需要先发给 Ubuntu02，经由 Ubuntu02 这个路由器中转。

为此，我们须要在 Ubuntu01 的路由表中设置一条路由。由于我们的网络非常简单，因此可以将其设置为默认路由。

我们运行 route -n 命令来看一下 Ubuntu01 的路由表：

可以看到，目前 Ubuntu01 的默认路由的网关的 IP 地址是 10.0.2.1。我们运行 route add default gw 192.168.10.254 命令，为 Ubuntu01 添加一个默认路由，默认路由的网关的 IP 地址是 192.168.10.254。

我们再来试一下，在 Ubuntu01 上测试一下到 Ubuntu03 的网络连接，用 ping 192.168.11.1 命令：

还是不能连接到 Ubuntu03。不过，可以看到 Ubuntu01 上显示的信息和以前不一样了，上图显示 From 192.168.10.254，表示 Ubuntu01 已经知道为了连接 Ubuntu03，需要发送数据包到 Ubuntu02 这个路由器的 192.168.10.254 接口。

Ubuntu01 的路由表告诉它要加入 192.168.11.0/24 这个网络，需要经过默认路由。因此，它将数据包发送到 Ubuntu02 这个路由器，在 192.168.10.254 这个接口。

Ubuntu02 接收到该数据包，在 OSI 第 2 层中看到其 MAC 地址，在 OSI 第 3 层中读取目标 IP 地址（192.168.11.1），发现该数据包不是发给自己的。由于路由已激活，它将在路由表中查看，看看应将数据包发送给谁。我们在 Ubuntu02 中运行 route -n 命令看看：

Ubuntu02 看到 192.168.11.1 是在它自己所属的网络（192.168.11.0/24）中，因此可以将数据包直接发送给 192.168.11.1。

到此为止，一切都是顺利的。192.168.11.1 这个 IP 地址对应的 Ubuntu03 这台虚拟机接收到了 ping 命令发送的数据包。

但另一方面，Ubuntu03 的默认路由还没有被正确配置，它不知道应该把对于 ping 命令的响应发送给谁。因此 Ubuntu01 就接收不到从 Ubuntu03 发来的对 ping 命令的响应。

我们可以使用强大的 tcpdump 命令来验证一下。

我们将在使用 ping 命令进行数据包的发送时，依次在 Ubuntu01 的 enp0s3 接口，Ubuntu02 的 enp0s3 和 enp0s3:0 接口，Ubuntu03 的 enp0s3 接口上使用 tcpdump 命令来嗅探。

我们可以通过打开多个虚拟终端（或虚拟控制台，被称为 tty）在 Linux 下并行启动多个命令，在 Ubuntu 中我们可以使用 6 个虚拟终端。

现在，我们在第一个虚拟终端（tty1）中，可以用 w 命令来验证一下：

要进入这些虚拟终端，须要用 Ctrl + Alt + Fx（x 可以从 1 到 6）的组合按键。例如，要进入第二个虚拟终端，须要按下 Ctrl + Alt + F2。要回到登录时的虚拟终端，也就是我们目前所在的 tty1，就用 Ctrl + Alt + F1。

在苹果的 macOS 中，如果按下 F1 - F12 的按键，默认对应的不是 F1 - F12 的效果，而是印在上面的例如调节屏幕亮度，调节声音大小，等等的效果。

当然你可以在 MacBook 的键盘上用左下角的 fn 键 + F1 - F12 来起到实际 F1 - F12 的效果。

你也可以进入 “系统偏好设置” -> “键盘”，把“将 F1、F2 等键用作标准功能键” 这个选项勾上。这样你在虚拟机中的 Ubuntu 里用 Cmd + Alt + [F1 - F6] 组合键时就不需要加上 fn 键了。如下图红框所示：

Ubuntu 18.04 及以上版本中，进入 tty 的这些终端的快捷键：

Ctrl + Alt + F1 : 回到登录时的虚拟终端，就是 tty1；
Ctrl + Alt + F2 : 进入 tty2；
Ctrl + Alt + F3 : 进入 tty3；
Ctrl + Alt + F4 : 进入 tty4；
Ctrl + Alt + F5 : 进入 tty5；
Ctrl + Alt + F6 : 进入 tty6。

进入 tty2 - tty6 这些虚拟终端后，和登录 tty1 一样，你需要输入你的用户名和密码（例如我输入用户名 oscar 和密码 123456），才能真正登录上去。

这样，你可以在第一个虚拟终端（tty1）中运行 ping 命令，然后在第二个虚拟终端（tty2）中运行 tcpdump 命令。

首先，我们在 Ubuntu01 的 tty1 虚拟终端（也就是当前登录的终端）中运行 ping 192.168.11.1 命令：

然后用 Ctrl + Alt + F2 组合按键进入 tty2 这第二个虚拟终端，使用你的用户名和密码登录 tty2。

因为 tcpdump 命令需要 root 权限，所以先用 sudo su 命令切换为 root 用户，再运行 tcpdump -i enp0s3 icmp 命令（tcpdump 命令参数里的 icmp 表示 ICMP 协议，因为 ping 命令就是通过发送 ICMP 数据包来进行网络连接测试的）来嗅探：

上图中，我们看到 Ubuntu01（IP 地址是 192.168.10.1）将 ICMP 请求发送到 Ubuntu03（IP 地址是 192.168.11.1）。

request 表示 “请求”；之后我们会看到的 reply 表示 “响应，回复”。

接着，我们在 Ubuntu02 上面运行 tcpdump -i enp0s3 icmp 命令：

在 Ubuntu02 上，我们看到 ICMP 请求到达 enp0s3 接口（IP 地址是 192.168.10.254）。

我们在 Ubuntu02 上用 Ctrl + Alt + F2 来登录第二个虚拟终端 tty2，然后在其中运行 tcpdump -i enp0s3:0 icmp 命令：

可以看到有请求从 Ubuntu02 的 enp0s3:0 接口（IP 地址是 192.168.11.254）出来。

在 Ubuntu03 上，我们也运行 tcpdump -i enp0s3 icmp 命令：

可以看到，有 ICMP 请求（request）到达 Ubuntu03 的 enp0s3 接口，但是没有响应（reply）从它的 enp0s3 接口出来。

这个问题通常被称为 “路由的返回问题”。我们通常会记得配置信息如何发送，却忘记配置信息如何返回。

因此，我们须要用 route add default gw 192.168.11.254 命令为 Ubuntu03 添加一个默认路由，默认路由的网关的 IP 地址是 192.168.11.254。

这次，我们的 ping 命令终于成功了！可以用 tcpdump 命令来查看：

在 Ubuntu01 的 tty2 虚拟终端中，可以看到 Ubuntu01 的请求（request，从 192.168.10.1 到 192.168.11.1）和 Ubuntu03 的响应（reply，从 192.168.11.1 到 192.168.10.1。经由 Ubuntu02 这个路由器中转）。

在 Ubuntu03 中也能看到类似的信息：

在 Ubuntu01 的 tty1 虚拟终端中，可以看到 ping 命令终于成功了：

那么，我们应该记住什么呢？

只有配置路由在两个方向都成功运行的情况下，我们才能连接到一个机器。
在搭建网络架构之前，我们通常先将路由表写在纸上，这样可以让思路更清晰。

很好，我们终于搭建好了第一个简单的路由网络架构！

更进一步

我们之前研究过一个较大型的网络（请参见下图）。这个网络的架构的搭建太耗费时间和篇幅，我们就不演示了，你有兴趣的话可以尝试搭建一下。

创建虚拟机

要实现此架构，需要不少虚拟机。可以使用 VirtualBox 的克隆功能来创建多个虚拟机。

编写路由表

将所有机器的路由表写在纸上。

配置

根据你在纸上写的路由表，配置所有虚拟机的 IP 地址和路由表。

要创建不是默认路由的一条路由，使用类似下面的命令：


route add -net 192.168.10.0 netmask 255.255.255.0 gw 192.168.11.254

要删除一条特定的路由，使用类似下面的命令：


route del -net 192.168.10.0 netmask 255.255.255.0

测试

要测试你的网络，你可以用 ping 命令，还可以用 traceroute 或 tcpdump 命令。使用这些命令来了解问题到底出在哪里。

总结

好的，我们路由的实践终于完成了。这几课还是颇具难度的，因为涉及到不少操作系统和命令行的知识。

如果你顺利地完成了实践，那么请把掌声给自己！

现在：

你已经掌握了 IP 协议（至少是 IP 协议的一部分）；
你知道了什么是路由；
你知道了如何将网络互连起来；
你可以在 Windows 和 Linux 中配置机器的 IP 地址；
你知道如何在 Linux 下配置路由。

你现在已经非常了解 IP 协议了，但我们将看到 OSI 第 3 层其实还有其他协议。

一起加油吧~

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