Как пакет находит дорогу

В младшем грейде вы делили 192.168.1.0/24 на подсети и выясняли, какие адреса лежат в одном сегменте. Это ответ на вопрос про адреса. Но остался следующий: пакет уходит с вашей машины с адресом назначения, а у машины один кабель, один Wi-Fi и ни малейшего представления, где этот адрес находится физически. Поиск дороги — отдельная работа, и делают её маршрутизаторы, шаг за шагом.

У каждого хоста и каждого маршрутизатора есть таблица маршрутизации: список направлений, куда он уже умеет дойти. Каждая запись — это префикс сети плюс две вещи: следующий узел (какому соседу отдать пакет) и исходящий интерфейс (в какой кабель или эфир его положить). Ни одна запись не описывает весь путь. Запись описывает один шаг, а у следующего маршрутизатора своя таблица.

$ ip route

default via 192.168.1.1 dev wlan0 proto dhcp metric 600
10.8.0.0/24 dev tun0 proto kernel scope link src 10.8.0.2
192.168.1.0/24 dev wlan0 proto kernel scope link src 192.168.1.42Типичная таблица маршрутизации ноутбука: три записи покрывают весь интернет.

Когда адрес назначения подходит сразу под несколько записей, маршрутизатор не берёт первую попавшуюся и вообще не смотрит на порядок строк. Он применяет правило самого длинного префикса: побеждает запись с большим числом бит сети, потому что она точнее. /32 — одна машина, /24 — одна подсеть, /16 — группа подсетей, /0 подходит под любой существующий адрес и поэтому идёт последним. Эта последняя запись — маршрут по умолчанию, а её следующий узел — шлюз по умолчанию, обычно тот маршрутизатор, который соединяет вашу сеть с провайдером.

destination        next hop        matched by
-----------------  --------------  ------------------
10.8.0.7           direct (tun0)   /24   10.8.0.0/24
10.8.5.7           192.168.1.1     /16   10.8.0.0/16
everything else    192.168.1.1     /0    defaultОдна и та же таблица, три разных адреса.

Передача идёт узел за узлом, и каждый узел повторяет одно и то же решение независимо. Ваша машина проверяет, лежит ли адрес назначения в напрямую подключённой сети; если нет — пакет уходит на шлюз. Шлюз делает ту же проверку по своей таблице и передаёт пакет дальше, и так по цепочке. Каждый маршрутизатор переписывает заголовок канального уровня — MAC-адрес следующего узла — но IP-адреса не трогает. Нигде в пакете не записан пройденный путь, поэтому ответ может вернуться совсем другой дорогой.

laptop 192.168.1.42  --ttl 64-->  router 203.0.113.1
router 203.0.113.1   --ttl 63-->  transit 198.51.100.9
transit 198.51.100.9 --ttl 62-->  server 93.184.216.34

reply comes back on a different path: routing is per packet, not per connectionTTL уменьшается на каждом узле. Дойдя до нуля, маршрутизатор выбрасывает пакет.

TTL существует, чтобы пакет не кружил вечно, когда два маршрутизатора расходятся во мнениях. Traceroute превращает эту защиту в измерительный прибор. Он отправляет пакет с TTL 1: первый маршрутизатор уменьшает счётчик до нуля и отвечает сообщением ICMP time exceeded, выдавая свой адрес. Потом TTL 2, потом 3, и ответы выстраиваются по порядку. Звёздочка вместо адреса означает, что этому маршрутизатору запретили отвечать: путь существует, вы просто не видите этот узел. Поэтому честная проверка — traceroute на TCP-порт: множество сетей молча выбрасывает ICMP и при этом спокойно пропускает трафик, который вам действительно нужен.

$ traceroute -n 93.184.216.34
 1  192.168.1.1      1.204 ms
 2  10.44.0.1        7.881 ms
 3  203.0.113.9     12.115 ms
 4  198.51.100.9    95.402 ms
 5  93.184.216.34  103.771 ms

$ traceroute -n -T -p 443 93.184.216.34
 5  93.184.216.34  103.902 msУзлы появляются по порядку, потому что TTL растёт на единицу с каждым заходом.

Внутри одной организации маршрутизаторы узнают маршруты автоматически, с помощью внутреннего протокола вроде OSPF. Между организациями работает BGP, и единица здесь не маршрутизатор, а автономная система: одна сеть под одним управлением с номером вида AS64500. Каждая система объявляет блоки адресов, до которых может дойти, а соседи передают эти объявления дальше, добавляя в путь свой номер. Поэтому у маршрутизатора к одному префиксу обычно несколько возможных путей, и он выбирает по политике: длина пути, коммерческие договорённости, локальные предпочтения. Карты интернета у него нет — есть набор утверждений о нём.

Ни одна центральная машина не знает интернет целиком. Вместо этого есть иерархия масштабов. Дома один маршрутизатор обслуживает одну подсеть. Провайдер держит тысячи маршрутизаторов под одним внутренним протоколом и прячет всё это за одним объявлением BGP. Выше несколько тысяч автономных систем обмениваются объявлениями между собой. Каждому уровню нижний нужен лишь как один достижимый блок — только поэтому таблица маршрутизации остаётся настолько маленькой, что её просматривают за микросекунды.