# IPv4 - Routing Problem

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## 課程影片

### 第 7D 講 路由器運作原理以及網路互連技術 L07 4

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### 第 7E 講 路由器運作原理以及網路互連技術 L07 5

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### 第 7B 講 路由器運作原理以及網路互連技術 L07 2

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## 目的：在不知道網路全貌的狀況下把封包送到目的地

Router 在收到一個封包時，會先把它儲存起來，並且把這個封包往「可能到達目的地」的地方發送。之所以說是「可能」，是因為整個網際網路很大，所以每個 Router 都只知道離自己較近 IP 的那些節點，而不知道整條路徑的全貌。


所以一個封包傳送的過程，其實就像是「不斷地問 router 要往哪個方向走」，然後試著找到目的地。這就像是迷路時，要你在沒有 Google Map 或導航，只看路牌的狀況下，想辦法到達目的地：


## 路由的過程


### 例子一：由 B 傳給 Y

因為 $B$ 與 $Y$ 在同一個 LAN 上，所以不用借助路由器。只要 $B$ 準備以下的封包就好：


### 例子二：B 傳送給 A

因為 $A$ 與 $B$ 位於不同的 LAN 上，所以沒辦法直接傳輸。因此 $B$ 就只能把責任丟給路由器，祈禱路由器有辦法找到 $B$。因此，$A$ 需要先把資料網路由器送，也就是準備以下的封包：


從 L3 的角度來看這個傳輸，因為 IP 到 IP 間傳送訊息，所以這個 IP 表頭的目的地仍然是 $IP(A)$。但從 L2 的角度來說

Router 收到這個封包之後，就根據這個封包中的 IP 表頭的目的去查 *routing table*，看看該往哪送。以這邊為例，恰好 $A$ 「直接相連」，因此就直接傳送給 $A$：


### 術語：Routing Table

每個 Router 都會紀錄一部分的「要通往哪個 IP 位址的話，要往哪邊送？」的表。這個表稱為 *routing table* 或 *forwarding table*。概念上來說，會像下面這個表：


在這個例子中，IP 位址為 `140.114.77.0` 與 `140.114.78.0` 的裝置直接與該該 Router 相連，而 `140.114.79.0` 則需要請 *Router Z* 幫忙轉送。

可以把這個 routing table 想像成是高速公路的路牌。高速公路的路牌會指示哪個車道可以往哪個目的地。

## 路由的原則 --- 三種狀況

### 狀況一：直接相連 --- 查 MAC Address

第一個狀況是這個 Router 跟該 IP 代表的設備直接相連。所以這時 Routing 問題就簡化成了一個 Link 的兩端傳送的問題。

這時候就可以去查「IP 對 MAC Address」的表，決定要往哪個 MAC Address 送：


### 狀況二：間接相連 --- 送給其它 Router

這個狀況是：雖然沒有直接連接，但是 routing table 知道另外一個 router 可以到達該 IP。這時就會把封包轉送給那個 Router，請它幫忙送給目的地。舉例來說，上述的 `140.114.79.0` 就是這個例子。

### 狀況三：完全沒有頭緒 --- 送給 Default Port

這個狀況是：一個 IP 完全沒出現在 routing table 上時。這時就往 default port 送。

## 問題：表上要放哪些東西？

因為所有 IP 位址有 40 億個，所以這個 routing table 並不能列舉出所有在 internet 上面的設備，就像高速公路的路牌不會包含全台灣的鄉鎮市那樣。

那這個 routing table 裡面要存哪幾條目的地的資訊呢？通常只會存離自己較近的一些目的地。這是因為 routing 問題是依照範圍由大到小來分治的。舉例來說，整個網路會分為較大的「自治區」(AS, autonomous section)，這樣就可以先把目的地 IP 依照「在自治區內」或「在自治區外」分割。若在同一個「自治區」內，那問題規模就從整個網際網路縮小到一個自治區; 若在自治區外，那任務就換成把封包送到該自治區。

這個機制跟郵政系統滿像的。信會先送到一個國家，再送到一個行政區，再送到特定的鄉鎮市的郵局，最後送到家裡。