实验：Linux路由

本实验将一台 Linux 服务器配置成可转发 IP 报文的路由器，并观察报文转发行为。通过实验，读者可进一步加深对协议栈 网络层 的理解，明确 IP协议全局寻址 和 数据路由 两大核心功能，理解路由表的工作原理并掌握相关工具命令的用法。

环境

通过 Virtualbox 创建 3 台虚拟机，分别是 ant 、 bee 、 cicada 。虚拟机通过 内部网络 分别连到两个独立的网络 lan0 和 lan1 ，网络结构如下：

../_images/67c7cba4b4aed0b856624a30ffce8f41.png

其中， bee 同时连到 lan0 和 lan1 。 3 台虚拟机地址见下表：

表-1 实验虚拟机
机器名lan0lan1
Ant10.0.1.2-
Bee10.0.1.1192.168.1.1
Cicada-192.168.1.2

步骤

根据 数据链路层 知识，直接连接 lan0 或 lan1 的虚拟机间可以互相通讯。因此， ant 可以 ping 通 bee ：

  1. fasion@ant:~$ ping 10.0.1.1
  2. PING 10.0.1.1 (10.0.1.1) 56(84) bytes of data.
  3. 64 bytes from 10.0.1.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=1.84 ms
  4. 64 bytes from 10.0.1.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.797 ms
  5. ^C
  6. --- 10.0.1.1 ping statistics ---
  7. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1002ms
  8. rtt min/avg/max/mdev = 0.797/1.322/1.848/0.526 ms

当然了， bee 也可以 ping 通 cicada 。

依据网络结构图不难发现， ant 可以借助 bee 与 cicada 通讯，只需实现：

  • ant 先将报文发给 bee ；
  • bee 负责转发；实现第 1 点，需借助 路由表 ( route table )。路由表是 路由器 ( router )维护的一个映射表，用于查询报文下一跳，路由器据此转发报文。

初学者可能无法理解，没有转发功能的普通机器也需要路由表。如果一台机器有两块网卡，其中一块连接 外网 ，另一块连接 外网 ，系统如何判断报文从哪块网卡发送出去？答案还是 路由表 。

以 ant 为例，可以通过 route 命令查询机器当前路由表：

  1. fasion@ant:~$ route -n
  2. Kernel IP routing table
  3. Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
  4. 0.0.0.0         10.0.2.2        0.0.0.0         UG    100    0        0 enp0s3
  5. 10.0.0.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 enp0s8
  6. 10.0.1.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 enp0s9
  7. 10.0.2.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 enp0s3
  8. 10.0.2.2        0.0.0.0         255.255.255.255 UH    100    0        0 enp0s3

现在，为 ant 添加一条路由，目的地址为 192.168.1.0/24 的报文下一跳发往 10.0.1.1 ：

  1. root@ant:~$ route add -net 192.168.1.0/24 gw 10.0.1.1

再次确认路由添加完毕：

  1. fasion@ant:~$ route -n
  2. Kernel IP routing table
  3. Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
  4. 0.0.0.0         10.0.2.2        0.0.0.0         UG    100    0        0 enp0s3
  5. 10.0.0.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 enp0s8
  6. 10.0.1.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 enp0s9
  7. 10.0.2.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 enp0s3
  8. 10.0.2.2        0.0.0.0         255.255.255.255 UH    100    0        0 enp0s3
  9. 192.168.1.0     10.0.1.1        255.255.255.0   UG    0      0        0 enp0s9

同理， cicada 需要添加一条 10.0.1.0/24 网段的回程路由：

  1. root@cicada:~$ route add -net 10.0.1.0/24 gw 192.168.1.1

现在 ping__cicada ，发现还是不通呀：

  1. fasion@ant:~$ ping 192.168.1.2
  2. PING 192.168.1.2 (192.168.1.2) 56(84) bytes of data.
  3. ^C
  4. --- 192.168.1.2 ping statistics ---
  5. 2 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss, time 1010ms

接着，在 bee 上运行 tcpdump 命令抓包，发现 ant 的报文确实到达 bee 了：

  1. root@bee:~$ tcpdump -ni any icmp
  2. tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
  3. listening on any, link-type LINUX_SLL (Linux cooked), capture size 262144 bytes
  4. 08:56:53.200259 IP 10.0.1.2 > 192.168.1.2: ICMP echo request, id 1589, seq 1, length 64
  5. 08:56:54.202828 IP 10.0.1.2 > 192.168.1.2: ICMP echo request, id 1589, seq 2, length 64

ping__bee 另一个接口( lan1 )的地址，发现已经通了：

  1. fasion@ant:~$ ping 192.168.1.1
  2. PING 192.168.1.1 (192.168.1.1) 56(84) bytes of data.
  3. 64 bytes from 192.168.1.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.618 ms
  4. 64 bytes from 192.168.1.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.453 ms
  5. ^C
  6. --- 192.168.1.1 ping statistics ---
  7. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1003ms
  8. rtt min/avg/max/mdev = 0.453/0.535/0.618/0.085 ms

在 cicada 上抓包，发现 bee 并没有将报文转发过来：

  1. root@cicada:~$ tcpdump -ni any icmp
  2. listening on any, link-type LINUX_SLL (Linux cooked), capture size 262144 bytes

Linux 有一个 内核参数 ( net.ipv4.ip_forward )控制是否转发 IP 报文，默认设为 否 ( 0 )。修改该内核参数即可开启转发功能：

  1. root@bee:~# echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

终于， ant__ping 通了 cicada ：

  1. fasion@ant:~$ ping 192.168.1.2
  2. PING 192.168.1.2 (192.168.1.2) 56(84) bytes of data.
  3. 64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=1 ttl=63 time=1.58 ms
  4. 64 bytes from 192.168.1.2: icmp_seq=2 ttl=63 time=1.24 ms
  5. ^C
  6. --- 192.168.1.2 ping statistics ---
  7. 2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1002ms
  8. rtt min/avg/max/mdev = 1.244/1.414/1.584/0.170 ms

附录

ant

第一台机器 ant ，配置了 3 块网卡。

第一块网卡 enp0s3 为 网络地址转换 ，用于让虚拟机通过母机 NAT 上网：

../_images/d736840c59690004cf61687db83736eb.png

第二块网卡 enp0s8 为 仅主机网络 ( Host-Only )，用于虚拟机与母机通讯：

../_images/50aa9738351bf0d1a92d880542933bc7.png

母机可通过该网络访问虚拟机，例如使用 ssh 命令登录虚拟机等。

前两块网卡主要用途是虚拟机管理，与本实验关系不大。第 3 块网卡 enp0s9 ，为 内部网络 ，将 ant 与本实验的 lan0 网络相连：

../_images/e6abba96aadc0edda29aa4df235d981a.png

ant 网卡地址配置由 Netplan 管理，配置如下：

  1. network:
  2.     ethernets:
  3.         enp0s3:
  4.             addresses: []
  5.             dhcp4: true
  6.         enp0s8:
  7.             addresses: [10.0.0.2/24]
  8.         enp0s9:
  9.             addresses: [10.0.1.2/24]
  10.     version: 2

ant 各网卡地址信息如下：

  1. fasion@ant:~$ ip addr
  2. 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
  3.     link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
  4.     inet 127.0.0.1/8 scope host lo
  5.        valid_lft forever preferred_lft forever
  6.     inet6 ::1/128 scope host
  7.        valid_lft forever preferred_lft forever
  8. 2: enp0s3: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
  9.     link/ether 08:00:27:36:1b:57 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  10.     inet 10.0.2.15/24 brd 10.0.2.255 scope global dynamic enp0s3
  11.        valid_lft 85405sec preferred_lft 85405sec
  12.     inet6 fe80::a00:27ff:fe36:1b57/64 scope link
  13.        valid_lft forever preferred_lft forever
  14. 3: enp0s8: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
  15.     link/ether 08:00:27:68:c5:a1 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  16.     inet 10.0.0.2/24 brd 10.0.0.255 scope global enp0s8
  17.        valid_lft forever preferred_lft forever
  18.     inet6 fe80::a00:27ff:fe68:c5a1/64 scope link
  19.        valid_lft forever preferred_lft forever
  20. 6: enp0s9: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
  21.     link/ether 08:00:27:02:b5:d0 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  22.     inet 10.0.1.2/24 brd 10.0.1.255 scope global enp0s9
  23.        valid_lft forever preferred_lft forever
  24.     inet6 fe80::a00:27ff:fe02:b5d0/64 scope link
  25.        valid_lft forever preferred_lft forever

注解

Virtualbox 虚拟网卡与虚拟机内看到的网卡名可以通过 MAC 地址对应起来。Virtualbox 可查到虚拟网卡的 MAC 地址：

../_images/d53d263de098a395a56d790fdcd02398.png

bee

第二台机器 bee 前两块网卡 enp0s3 、 enp0s8 与 ant 一样，不再赘述。

第 3 块网卡 enp0s9 为 内部网络 ，将 bee 与 lan0 网络相连；第 4 块网卡 enp0s10 也是 内部网络 ，将 bee 与 lan1 网络相连：

../_images/d065b9ab37eef77473f1f796667e062e.png

bee 网卡地址配置由 Netplan 管理，配置如下：

  1. network:
  2.     ethernets:
  3.         enp0s3:
  4.             addresses: []
  5.             dhcp4: true
  6.         enp0s8:
  7.             addresses: [10.0.0.3/24]
  8.         enp0s9:
  9.             addresses: [10.0.1.1/24]
  10.         enp0s10:
  11.             addresses: [192.168.1.1/24]
  12.     version: 2

bee 各网卡地址信息如下：

  1. fasion@bee:~$ ip addr
  2. 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
  3.     link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
  4.     inet 127.0.0.1/8 scope host lo
  5.        valid_lft forever preferred_lft forever
  6.     inet6 ::1/128 scope host
  7.        valid_lft forever preferred_lft forever
  8. 2: enp0s3: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
  9.     link/ether 08:00:27:7c:5b:52 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  10.     inet 10.0.2.15/24 brd 10.0.2.255 scope global dynamic enp0s3
  11.        valid_lft 86252sec preferred_lft 86252sec
  12.     inet6 fe80::a00:27ff:fe7c:5b52/64 scope link
  13.        valid_lft forever preferred_lft forever
  14. 6: enp0s8: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
  15.     link/ether 08:00:27:4f:73:cf brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  16.     inet 10.0.0.3/24 brd 10.0.0.255 scope global enp0s8
  17.        valid_lft forever preferred_lft forever
  18.     inet6 fe80::a00:27ff:fe4f:73cf/64 scope link
  19.        valid_lft forever preferred_lft forever
  20. 9: enp0s9: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
  21.     link/ether 08:00:27:b4:8f:ff brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  22.     inet 10.0.1.1/24 brd 10.0.1.255 scope global enp0s9
  23.        valid_lft forever preferred_lft forever
  24.     inet6 fe80::a00:27ff:feb4:8fff/64 scope link
  25.        valid_lft forever preferred_lft forever
  26. 11: enp0s10: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
  27.     link/ether 08:00:27:9d:ae:3b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  28.     inet 192.168.1.1/24 brd 192.168.1.255 scope global enp0s10
  29.        valid_lft forever preferred_lft forever
  30.     inet6 fe80::a00:27ff:fe9d:ae3b/64 scope link
  31.        valid_lft forever preferred_lft forever

cicada

第二台机器 cicada 前两块网卡 enp0s3 、 enp0s8 与 ant 一样，不再赘述。

第 3 块网卡 enp0s9 为 内部网络 ，将 cicada 与 lan1 网络相连。

cicada 网卡地址配置由 Netplan 管理，配置如下：

  1. network:
  2.     ethernets:
  3.         enp0s3:
  4.             addresses: []
  5.             dhcp4: true
  6.         enp0s8:
  7.             addresses: [10.0.0.4/24]
  8.         enp0s9:
  9.             addresses: [192.168.1.2/24]
  10.     version: 2

cicada 各网卡地址信息如下：

  1. fasion@cicada:~$ ip addr
  2. 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
  3.     link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
  4.     inet 127.0.0.1/8 scope host lo
  5.        valid_lft forever preferred_lft forever
  6.     inet6 ::1/128 scope host
  7.        valid_lft forever preferred_lft forever
  8. 2: enp0s3: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
  9.     link/ether 08:00:27:65:11:0a brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  10.     inet 10.0.2.15/24 brd 10.0.2.255 scope global dynamic enp0s3
  11.        valid_lft 86056sec preferred_lft 86056sec
  12.     inet6 fe80::a00:27ff:fe65:110a/64 scope link
  13.        valid_lft forever preferred_lft forever
  14. 4: enp0s9: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
  15.     link/ether 08:00:27:f7:a4:29 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  16.     inet 192.168.1.2/24 brd 192.168.1.255 scope global enp0s9
  17.        valid_lft forever preferred_lft forever
  18.     inet6 fe80::a00:27ff:fef7:a429/64 scope link
  19.        valid_lft forever preferred_lft forever
  20. 5: enp0s8: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
  21.     link/ether 08:00:27:0c:82:71 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  22.     inet 10.0.0.4/24 brd 10.0.0.255 scope global enp0s8
  23.        valid_lft forever preferred_lft forever
  24.     inet6 fe80::a00:27ff:fe0c:8271/64 scope link
  25.        valid_lft forever preferred_lft forever

下一步

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