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網絡小故事 12 · 進階

路路的地圖Routing Table（路由表）與 Static Route（靜態路由）

路路怎樣知道每一封信的「下一站」？

主角：路路、小比閱讀時間約 10 分鐘

RouterRouting TableStatic Route

建議先讀：小故事 11「Subnetting」

1. 故事

按「下一步」一步一步看。每一步都有一位角色出場，解釋自己正在做什麼。

序幕：溫習一下

第 1 步／共 10 步

路路看 IP 決定下一站

我是 Router（路由器）。每收到一個 Packet（封包），我看它的 IP 收件人，再決定交給哪一站。阿麥要去 example.com，我就交給互聯網那邊。

動畫文字版（全部步驟）
  1. 序幕：溫習一下
  2. 路路看 IP 決定下一站　路路：我是 Router（路由器）。每收到一個 Packet（封包），我看它的 IP 收件人，再決定交給哪一站。阿麥要去 example.com，我就交給互聯網那邊。
  3. 第一幕：路路的地圖
  4. 連上工作室 Router　路路：我和樓上的工作室 Router 用一條網線連起來了。這條線用 192.168.40.252/30：我是 .253，它是 .254。工作室裡面有辦公室、閉路電視和伺服器三個網絡。
  5. 我的地圖：Routing Table　路路：我有一本地圖，叫 Routing Table（路由表）。直接接在我身上的網絡，開機就自動寫進去；還有一條 0.0.0.0/0：「其他地方，全部交給 ISP」。
    • C 192.168.1.0/24 → 直接連接（家人區）
    • C 192.168.20.0/24 → 直接連接（客人區）
    • C 192.168.40.252/30 → 直接連接（往工作室）
    • C 203.0.113.0/24 → 直接連接（對外，接 ISP）
    • S* 0.0.0.0/0 → 203.0.113.254（ISP）
    • C ＝ Connected（直接連接）
  6. 去工作室？地圖上沒有！　小比：阿麥要把相片傳到辦公室電腦 192.168.40.10。路路翻地圖：沒有 192.168.40.0 這一行！只好用 0.0.0.0/0，把我交給互聯網……我去錯地方，最後被丟掉了！
    • Router 只認識直接連接的網絡
    • 工作室的網絡接在工作室 Router 身上，路路根本不知道
  7. 第二幕：Static Route
  8. 人手加一行　路路：網絡管理員在我的地圖上人手加一行：「192.168.40.0/24，交給 192.168.40.254。」這叫 Static Route（靜態路由）。
    • S ＝ Static（靜態），由人手輸入
    • 一條 /24 就包括了工作室的三個 /26 網絡
  9. 這次到了！　小比：路路再翻地圖：192.168.40.10 符合 192.168.40.0/24，下一站是工作室 Router。工作室 Router 看自己的地圖：辦公室是直接連接的，於是把我送到辦公室電腦！
  10. 回程也要有路　路路：辦公室電腦回覆阿麥 192.168.1.10。工作室 Router 的地圖只有自己的網絡，加上一條 Default Route：「其他地方交給 192.168.40.253。」所以回覆也可以回到我這裡。
    • 工作室 Router：S* 0.0.0.0/0 → 192.168.40.253
    • 常見錯誤：只設了去程，忘記回程
  11. 幾條都符合？選最準確的　路路：收件人 192.168.40.254 同時符合 /30、/24 和 /0 三條 Route。我會選前綴最長、最準確的 /30：它直接接在我身上！這叫 Longest Prefix Match（最長前綴匹配）。
    • 192.168.40.252/30：前綴 30 ← 最長，勝出
    • 192.168.40.0/24：前綴 24
    • 0.0.0.0/0：前綴 0，最後的選擇
  12. 第三幕：地圖不會自己更新
  13. 網線斷了　小比：糟糕，家中和工作室之間的網線斷了！路路的 Port 失去訊號，/30 和那條 Static Route 都從地圖上消失。路路只好用 0.0.0.0/0，把我交給 ISP……結果又送不到工作室！
    • Static Route 不會自己找另一條路去工作室
    • 如果是工作室 Router 當機、Port 仍然亮燈，Static Route 會繼續指向 .254，小比就掉進黑洞
    • 要等網絡管理員發現問題，再人手修改
  14. 總結：路路的地圖　路路：Routing Table 寫著「去哪個網絡、交給哪一站」。Static Route 簡單清楚，但網絡一變就不靈光。如果我們幾位 Router 可以自己交換情報、自動找新路就好了……下一個故事見！
    • Route 的來源：直接連接、Static Route、Dynamic Routing（動態路由）
    • 0.0.0.0/0 ＝ Default Route（預設路由）
    • 多條符合時，選前綴最長的

2. 問題在哪裡

路路是 Router（路由器）。每收到一個 Packet（封包），他看 IP 收件人，再決定交給哪一站。

阿麥打開 example.com（192.0.2.80）時，路路把小比交給 ISP（互聯網服務供應商），一切順利。192 開頭不一定是 Private IP（私人位址），只有 192.168 開頭才是。

可是當阿麥把相片傳到工作室的辦公室電腦 192.168.40.10，小比卻送不到：

  • 工作室的三個網絡接在工作室 Router 身上，不是接在路路身上。
  • 路路只認識直接接在自己身上的網絡，根本不知道辦公室的 192.168.40.10 在樓上。
  • 找不到更好的路，路路只好把小比交給 ISP。互聯網上的 Router 不會轉送寄往 Private IP 的 Packet，小比最後被丟掉。

3. 網絡怎樣解決

路路手上有一本地圖，每一行寫著：「去這個網絡，交給這一站。」這本地圖叫 Routing Table（路由表），是 Router 用來決定 Packet 往哪裡送的表。

地圖上的路有三個來源：

  1. 直接接在路路身上的網絡，開機就自動寫進去。
  2. 網絡管理員人手加上的一行，叫 Static Route（靜態路由）。
  3. Router 之間自動交換回來的，叫 Dynamic Routing（動態路由），下一個故事再講。

4. 看深一點

家中和工作室之間的連線

路路和工作室 Router 用一條網線連起來。這條線本身也是一個網絡：192.168.40.252/30。

/30 每件只有 4 個位址，正好適合只有兩部 Router 的連線。它是從上一個故事預留的第四件 192.168.40.192/26 裡面，再切出來的一小件：

位址 用途
192.168.40.252 網段位址
192.168.40.253 家中路路
192.168.40.254 工作室 Router
192.168.40.255 Broadcast Address（廣播位址）

路路的 Routing Table

加上 Static Route 之後，路路的地圖大約是這樣：

代號  目的地網絡            下一站 / 出口
C     192.168.1.0/24       直接連接（家人區）
C     192.168.20.0/24      直接連接（客人區）
C     192.168.40.252/30    直接連接（往工作室）
C     203.0.113.0/24       直接連接（對外，接 ISP）
S     192.168.40.0/24      經 192.168.40.254
S*    0.0.0.0/0            經 203.0.113.254（ISP）
  • C ＝ Connected Route（直接連接路由）：網絡接在路路自己的 Port（連接埠）上，開機自動出現。
  • S ＝ Static（靜態）：網絡管理員人手輸入。
  • 下一站：即 Next Hop（下一跳），指 Packet 要交給的下一部 Router 的 IP Address（網絡位址），它必須是路路直接連接得到的位址。
  • * 表示這是 Default Route（預設路由）。它的下一站 203.0.113.254 在直接連接的 203.0.113.0/24 之內，所以路路找得到。

一條 192.168.40.0/24 已經包括了工作室的三個 /26 網絡，不用逐件寫。

Default Route：0.0.0.0/0

0.0.0.0/0 的前綴長度是 0，即「一個位元也不用比較」，所以任何位址都符合。意思是：「其他地方，全部走這條路。」

家用 Router 通常只有這一條 Default Route，指向 ISP Router 203.0.113.254。

幾條都符合？Longest Prefix Match（最長前綴匹配）

一個收件位址可以同時符合幾條 Route。路路會選前綴最長的一條，因為它最準確。這就是 Longest Prefix Match。

以收件人 192.168.40.254 為例：

Route 前綴長度 符合嗎？
192.168.40.252/30 30 符合 ← 最長，勝出
192.168.40.0/24 24 符合
0.0.0.0/0 0 符合（任何位址都符合）

所以 192.168.40.254 直接送出去；192.168.40.10 只符合 /24 和 /0，選 /24，交給工作室 Router；192.0.2.80 只符合 /0，交給 ISP。

留意：地圖的排列次序不影響結果，前綴長度才是關鍵。

回程也要有路

辦公室電腦回覆阿麥 192.168.1.10 時，由工作室 Router 決定路線。它的地圖只有自己的網絡，加上一條 Default Route：

S*    0.0.0.0/0            經 192.168.40.253（家中路路）

所以回覆可以回到路路，再由路路送給阿麥。只設了去程、忘記回程，是設定 Static Route 時最常見的錯誤。

Static Route 的弱點

Static Route 不會自己找另一條路。故事中，家中和工作室之間的網線斷了：

  1. 路路那個 Port 失去訊號，192.168.40.252/30 從地圖上消失。
  2. 下一站 192.168.40.254 再也找不到，那條 Static Route 也跟著失效。
  3. 去 192.168.40.10 只剩 0.0.0.0/0 符合，路路把小比交給 ISP，一樣送不到工作室。

另一種情況更麻煩：如果是工作室 Router 當機，但路路的 Port 仍然亮燈，Static Route 會繼續指向 192.168.40.254，小比就掉進「黑洞」。

兩種情況都要等網絡管理員發現問題，再人手修改。

5. 動手試試

任務：看看電腦的 Routing Table

  1. 在 Windows 電腦開啟「命令提示字元」，輸入 route print；在 Mac 或 Linux 開啟「終端機」，輸入 netstat -rn。
  2. 找找 0.0.0.0（有些系統顯示為 default）這一行：它的下一站就是你的 Default Gateway（預設閘道）。
  3. 原來不只 Router，你的電腦也有一本小地圖！

小互動

路路會選哪一條 Route？

以下每個收件人，路路會怎樣處理？

  1. 1192.0.2.80

  2. 2192.168.40.10

  3. 3192.168.1.11

  4. 4192.168.40.254

  5. 5192.168.20.10

  6. 6198.51.100.1

6. 比喻的極限

  • 地圖上沒有完整路線。 路路只知道「下一站」，不知道小比之後會經過哪些 Router；每一站都各自查自己的地圖。
  • 真實的地圖可以很長。 家用 Router 只有幾行，但互聯網上的大型 Router 有約一百萬行 Route，要用專門的晶片快速查找。
  • 路路不會「翻」地圖。 動畫把查表畫成翻書，實際上 Router 用特別的資料結構，在極短時間內找出前綴最長的一行。
  • 前綴一樣長時，還有其他規則。 如果兩條 Route 的網絡和前綴完全一樣、但來源不同（例如一條 Static、一條 Dynamic），Router 會按「可信程度」選一條，這裡不詳談。
  • 回程不一定原路返回。 這個故事只有一條路，所以來回相同；在大型網絡中，去程和回程可以走不同的路線。

7. 小測驗

第 1 題，共 3 題0.0.0.0/0 這條 Route 代表什麼？
第 2 題，共 3 題路路的 Routing Table 同時有 192.168.40.0/24 和 192.168.40.252/30，收件人是 192.168.40.254，會選哪一條？
第 3 題，共 3 題以下哪一項是 Static Route 的缺點？

8. 重點筆記

  • Routing Table（路由表）每一行寫著「去哪個網絡、交給哪一站」；Router 只知道下一站，不知道整條路線。
  • Route 有三個來源：Connected Route（直接連接路由）、Static Route（人手輸入）、Dynamic Routing（自動交換）。
  • 0.0.0.0/0 是 Default Route（預設路由），任何位址都符合，找不到更準確的 Route 時才用。
  • 多條 Route 都符合時，選前綴最長的一條，這叫 Longest Prefix Match（最長前綴匹配）。
  • Static Route 簡單清楚，但網絡一變就不會自動更新；而且去程、回程都要有路。

延伸閱讀

只有兩部 Router 時，人手寫幾行 Static Route 還可以應付。如果有十部、一百部 Router，網線又不時斷掉呢？下一個故事，阿帕教授會介紹 Router 之間怎樣自動交換情報：Dynamic Routing（動態路由）與 OSPF（開放最短路徑優先）。

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