Linux 路由逻辑详解
关键要点
- 路由决策基础：Linux 内核使用路由表决定 IP 数据包转发路径，主要遵循最长前缀匹配（LPM）原则，相同前缀下优先选择 metric 值较小的路由；主表 ID 为 254，本地表为 255，支持自定义表实现策略路由。
- 递归路由作用：当路由条目的下一跳（via）不是直连接口时，内核会递归查询路由表以解析实际出接口和路径，直至找到直连路由；这适用于多级网络拓扑，但需防范递归路由问题（如隧道端点通过隧道学习，导致路由振荡）。
- 邻接表与 ARP 表区别：邻接表（Neighbor Table）是通用结构，包含 IPv4 的 ARP 缓存和 IPv6 的 ND 缓存，用于 IP 到 MAC 地址映射；ARP 表特指 IPv4 部分，邻接表更广义，支持多协议。
- 协作机制：路由表处理 L3 路径决策，邻接表负责 L2 封装；缺失邻接条目时触发 ARP/ND 请求，故障（如未解析）导致数据包丢弃。
- 常见类型与来源：包括默认路由、直连路由（proto kernel，自动生成）、静态路由（proto static，手动添加）和动态路由；优先级由 metric 主导，不同协议有隐式偏好。
核心字段与类型
路由条目字段包括目标网络、via、dev 等；类型扩展包括 unicast、unreachable 等。以下表格总结核心字段与常见路由类型：
| 类别 | 描述 | 示例或细节 |
|---|---|---|
| 核心字段 | 目标网络（prefix 或 default）：目的子网或所有未知目标。 | 10.2.15.0/24 或 default |
| via（下一跳网关 IP）：非直连时指定，需递归解析。 | 10.2.15.1 | |
| dev（出接口名称）：数据包发送接口。 | enp1s0 | |
| proto（来源）：kernel（自动直连）、static（手动）、boot（引导时）。 | kernel | |
| metric（优先级）：越小越优，默认 0 不显示。 | 101 | |
| scope（范围）：link（直连）、global（经网关）、host（本地）。 | link | |
| src（源 IP）：多接口场景下指定源地址。 | 10.2.15.31 | |
| 其他（如 mtu、rtt、状态）：MTU（最大传输单元）、RTT（往返时延）、linkdown（接口不可用）。 | linkdown | |
| 路由类型 | unicast：标准转发路径。 | 默认类型 |
| unreachable：不可达，发送 ICMP host unreachable。 | 用于黑洞路由 | |
| blackhole：静默丢弃数据包。 | 安全过滤 | |
| prohibit：行政禁止，发送 ICMP administratively prohibited。 | 策略控制 | |
| local：本地回环地址。 | 127.0.0.1 | |
| broadcast：链路广播。 | 链路本地 | |
| throw：用于策略规则，终止查找并发送 ICMP net unreachable。 | 策略路由 | |
| multicast：组播路由，不在标准表。 | IGMP 等 |
路由逻辑概述
Linux 内核路由逻辑用于决定 IP 数据包的转发路径，核心是基于路由表（FIB）的查询与链路层处理。逻辑强调逐跳独立：每台路由器独立决策，只在目的 IP 匹配本机地址时终止转发并本地投递（否则继续转发）。避免重复：路由查询优先最长前缀匹配（LPM），metric 值小的优先；邻接表（Neighbor Table）是通用结构，包含 ARP（IPv4 IP-MAC 映射）和 ND（IPv6），而 ARP 表仅指 IPv4 部分，支持超时刷新和垃圾回收。
路由逻辑步骤
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路由表匹配：使用目的 IP 在路由表中进行最长前缀匹配（LPM），获取出接口（dev）和下一跳 IP（nexthop）。
- 如果匹配直连路由（scope link，proto kernel），下一跳通常为空（或隐式为目的 IP 本身），直接使用出接口。
- 如果匹配网关路由（via 指定），下一跳为网关 IP；若网关非直连，触发递归路由：内核递归查询路由表解析实际出接口和路径，直至找到直连路由（避免手动配置多级路径，支持分层拓扑，但需防递归问题如路由振荡）。
- 特殊：默认路由（default）匹配未知目标；metric 优先级主导相同前缀选择。
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邻接解析：查询邻接表（ip neigh show）获取下一跳 IP 的 MAC 地址，用于 L2 封装。
- 邻接表区别于 ARP 表：前者通用（IPv4/IPv6），后者仅 IPv4；缺失时触发 ARP 请求（IPv4）或 ND（IPv6）。
- 未命中：缓存数据包，发起 ARP/ND 请求；重试超时后丢弃，并可选发送 ICMP（destination unreachable）。
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数据包处理与发送：修改数据包目的 MAC 为邻接解析结果，源 MAC 为出接口 MAC；检查 MTU（若超限且 DF 位设，碎片化或发送 ICMP too big）；通过出接口发送。
- 发送前确保 ARP 完成（否则缓存待发）；支持多路径路由（负载均衡）。
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逐跳转发：每跳独立处理数据包（TTL 递减），直到某跳判断目的 IP 为本机地址（本地表匹配），终止转发并投递到上层协议栈（e.g., TCP/UDP）；否则继续下一跳。
举例场景：数据包从主机 A 到主机 B 的路由过程
假设主机 A（IP: 192.168.1.10）发送数据包到远程主机 B（IP: 10.0.0.5），A 的路由表有默认路由 via 192.168.1.1（网关，非直连）。
- 步骤 1：A 用 10.0.0.5 匹配路由表，命中默认路由，获取 via 192.168.1.1。但 192.168.1.1 非直连于 A 的接口 eth0，触发递归路由：再匹配 192.168.1.1，命中直连路由（192.168.1.0/24 dev eth0），解析出接口 eth0 和下一跳 192.168.1.1。
- 步骤 2：查询邻接表获取 192.168.1.1 的 MAC；若缺失，发送 ARP 请求（"谁是 192.168.1.1？"），缓存数据包等待回复。
- 步骤 3：收到 ARP 回复后，设置目的 MAC 为网关 MAC，源 MAC 为 eth0 MAC；检查 MTU 无超限，通过 eth0 发送。
- 步骤 4：网关（192.168.1.1）接收后，检查目的 IP 非本机，继续逐跳转发（类似步骤 1-3），直至某路由器判断 10.0.0.5 为其本地地址，投递给 B。
此场景展示递归路由简化配置（无需显式多级路径），邻接表确保 L2 转发效率。
常用指令与作用
ip route show：查看主路由表（支持 table 指定其他表）。ip route add/del <prefix> via <nexthop> dev <dev> metric <value>：添加/删除路由条目。ip route get <dst_ip>：模拟目的 IP 的路由决策（显示递归结果）。ip neigh show：查看邻接表（包括 ARP/ND 缓存）。