Маршрутизация — routing tables, default gateway и longest prefix

Пакет, идущий от вашего ноутбука к github.com, проходит через 15-25 устройств — роутеров разных уровней, от вашего домашнего модема до магистральных коммутаторов AS GitHub. Каждый из этих роутеров делает ровно одно решение: «куда отправить этот пакет дальше?». Это и есть маршрутизация.

В этом уроке разберём, как работает routing table, что такое default gateway, как роутер выбирает маршрут по правилу longest prefix match. Это базовый mental model сетевика и DE — без него вы не понимаете, почему один пакет идёт в одну сторону, другой в другую, и почему ip route показывает именно то, что показывает.

Что такое маршрутизация

Маршрутизация (routing) — это процесс выбора пути для пакета между сетями. Внутри одной сети (одного broadcast domain) пакеты передаёт свитч — по MAC-адресам. Между разными сетями работает роутер — по IP-адресам.

Каждое устройство, у которого есть IP, имеет routing table. Это таблица «куда отправлять пакет, если его IP назначения такой-то». Алгоритм для каждого исходящего пакета:

1. Взять dst IP пакета.
2. Найти в routing table запись, которая «покрывает» этот IP.
3. Отправить пакет на указанный next-hop через указанный интерфейс.

Главная идея: роутер выбирает next-hop, а не конечный пункт. Каждый роутер видит только следующий шаг — куда передать. Следующий роутер сделает то же самое для своего следующего шага. И так до места назначения.

Это похоже на эстафету: каждый бегун не знает, кто последний, только — кому передать палочку.

Структура routing table

Routing table — это набор записей. Каждая запись:

• Destination network (prefix). Какие IP покрывает (например, 10.0.0.0/8).
• Next-hop / gateway. Через кого передать (IP следующего роутера).
• Interface. Через какой свой интерфейс отправить.
• Metric (опционально). Стоимость маршрута — для выбора при нескольких путях.

Посмотреть routing table в Linux:

ip route show
# default via 192.168.1.1 dev eth0 proto dhcp src 192.168.1.42 metric 100
# 169.254.0.0/16 dev eth0 scope link metric 1000
# 192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.42 metric 100

Разбор:

• default — это 0.0.0.0/0, покрывает все IP. Для всего, что не подошло другим записям.
• via 192.168.1.1 — next-hop. IP домашнего роутера.
• dev eth0 — exit interface.
• 192.168.1.0/24 ... scope link — локальная сеть, прямо подключена. Не нужен next-hop, отправляем напрямую через ARP.
• proto kernel — запись создана автоматически (ядром при ip addr add).
• proto dhcp — запись пришла из DHCP-ответа (default route обычно).

На macOS:

netstat -nr -f inet
# Destination        Gateway            Flags        Netif Expire
# default            192.168.1.1        UGScg          en0
# 127                127.0.0.1          UCS            lo0
# 192.168.1          link#5             UCS            en0
# 192.168.1.1/32     link#5             UCS            en0

В Windows:

route print

Default gateway — куда идут «все остальные» пакеты

Особая запись default (она же 0.0.0.0/0) покрывает все IP. Это самая общая (самая короткая по префиксу) запись — срабатывает, если ни одна другая не подошла.

Пример сценария:

Ваш IP 192.168.1.42, gateway 192.168.1.1. Routing table:

• 192.168.1.0/24 — local
• default via 192.168.1.1

Когда вы пингуете 192.168.1.50 (сосед в локалке):

• Первая запись подходит (192.168.1.50 в 192.168.1.0/24).
• ARP — получили MAC. Шлём напрямую.
• Никакого next-hop, никакого роутера.

Когда вы пингуете 8.8.8.8:

• Первая запись не подходит.
• default подходит.
• Шлём через next-hop 192.168.1.1 (роутер).
• Роутер дальше сам разбирается.

Без default gateway машина общается только в локалке. Интернет недоступен. Это популярный симптом «у меня IP есть, но интернета нет» — часто проблема в неправильном или отсутствующем default route.

# Узнать default gateway:
ip route show default
# default via 192.168.1.1 dev eth0

# или (старый стиль):
route -n | head
# Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
# 0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG    100    0        0 eth0
# 192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     100    0        0 eth0

Flags UG: U = up, G = gateway (через next-hop). U без G = direct route (локальная сеть).

Longest prefix match — как роутер выбирает маршрут

Когда несколько записей подходят — роутер выбирает самую специфичную, то есть с самым длинным префиксом. Это правило называется longest prefix match (LPM).

Пример. Routing table:

0.0.0.0/0           via 192.168.1.1   (default)
10.0.0.0/8          via 10.20.0.1     (route ко всему 10/8)
10.5.0.0/16         via 10.5.0.1      (более специфичный)
10.5.42.0/24        via 10.5.42.100   (ещё более специфичный)

Логика проста: чем длиннее префикс, тем более специфичный (точный) маршрут. Если есть точная запись /32 для конкретного IP — победит даже над /31.

LPM позволяет иметь общие «catch-all» правила (default) и специфичные исключения. Например, «весь трафик — через VPN-туннель, но исключения для DNS и corporate-сетей — напрямую».

Виды маршрутов

Маршрутизация бывает разных типов:

1. Прямой (directly connected). Маршрут на свою же подсеть. Не нужен next-hop — хост в этой подсети, ARP даст MAC. Создаётся автоматически когда вы делаете ip addr add 192.168.1.42/24 — ядро добавляет 192.168.1.0/24 dev eth0.

2. Static route. Маршрут, прописанный руками админом или конфигом. Не меняется автоматически. Пример: ip route add 10.99.0.0/16 via 192.168.1.5.

3. Dynamic route. Маршрут, выученный по протоколу маршрутизации (OSPF, BGP). Обновляется автоматически при изменении топологии. Об этом отдельный урок.

4. Default route. 0.0.0.0/0, специальный case — покрывает всё.

5. Black hole. Специально настроенный маршрут «отправлять пакеты в никуда». Используется для DDoS защиты, изоляции.

# Добавить static route (нужен root):
sudo ip route add 10.99.0.0/16 via 192.168.1.5 dev eth0

# Black hole (пакеты для 10.99.0.0/16 дропаются):
sudo ip route add blackhole 10.99.0.0/16

# Удалить маршрут:
sudo ip route del 10.99.0.0/16

# Сделать постоянным -- редактируйте /etc/network/interfaces или nmcli connection modify

ECMP — несколько равных маршрутов

Если у вас в routing table несколько записей с одинаковым префиксом и метрикой — роутер может распределять трафик между ними. Это называется ECMP (Equal-Cost Multi-Path).

ip route show 10.0.0.0/8
# 10.0.0.0/8 proto bgp
#         nexthop via 10.20.0.1 dev eth0 weight 1
#         nexthop via 10.20.0.2 dev eth0 weight 1

Для каждого нового потока (определяемого по src IP / dst IP / src port / dst port — hash) выбирается один из next-hop. Это даёт:

• Load balancing. Трафик равномерно распределяется по нескольким каналам.
• Резервирование. Если один линк упал — остальные продолжают работать.

ECMP — стандарт в дата-центрах spine-leaf, где между каждой парой свитчей идёт 4-8 равноценных линков, и трафик хэшируется между ними.

Прохождение пакета — пример

Соберём всё вместе. Сценарий: ваш ноутбук (192.168.1.42) пингует Google DNS (8.8.8.8).

1. Ваш ноутбук. Routing table:

   • 192.168.1.0/24 — local
   • default via 192.168.1.1
   • Lookup 8.8.8.8 -> подходит default. Next-hop = 192.168.1.1.
   • ARP for 192.168.1.1 -> MAC 00:1c:42:00:00:18.
   • Ethernet frame: [dst MAC = 00:1c:42:...] [src MAC = ваш] [IP: src=192.168.1.42, dst=8.8.8.8].

2. Домашний роутер. Получает кадр на LAN-интерфейс.

   • Распаковывает Ethernet (берёт IP-пакет).
   • Routing table:
     • 192.168.1.0/24 — LAN (eth0)
     • <провайдерский пул>/N — WAN (eth1)
     • default via 10.X.Y.1 (провайдер) на eth1
   • Lookup 8.8.8.8 -> default. Next-hop = провайдерский роутер.
   • NAT! src IP меняется с 192.168.1.42 на публичный IP домашнего роутера.
   • Новый Ethernet-кадр на WAN-интерфейсе с MAC провайдера.

3. Провайдерский роутер. Получает.

   • Routing table огромная (BGP — сотни тысяч записей).
   • Lookup 8.8.8.8. Подходит запись 8.0.0.0/8 via <магистраль> или ещё более специфичная.
   • Передаёт next-hop.

4. Магистральный роутер. То же самое, пока пакет не доберётся до AS Google.

5. Google AS roter. Lookup 8.8.8.8. Это уже внутри Google.

6. Сервер 8.8.8.8. Принимает ICMP echo, отвечает echo reply.

Обратный путь — зеркальный. Каждый раз каждый роутер на своём уровне ищет в своей routing table запись для dst IP пакета.

Asymmetric routing — путь туда и обратно разный

В реальной жизни путь пакета туда и обратно может быть разный. Это нормально:

• Ваш пакет идёт через провайдера A (потому что у него лучший маршрут до Google).
• Ответ Google идёт через провайдера B (потому что у Google лучший маршрут к вам через B).

Никакого протокола, говорящего «отвечай тем же путём», нет. Каждый роутер решает локально.

Это становится проблемой когда:

• NAT. Если пакет ушёл через NAT-роутер A, ответ должен прийти на A (там в NAT-таблице связки). Если ответ пошёл на B — B не знает, кому это, дропает. Решение: NAT на одной точке либо session sync между routers.
• Stateful firewall. Видит SYN на одном пути, SYN-ACK на другом — бьёт тревогу, дропает. Решение: routing симметрично, либо синхронизация состояний.

В дата-центрах большие команды борются с asymmetric routing. На пользовательском уровне — редко мешает.

Запись в routing table — что значит каждое поле

Пример Linux:

default via 192.168.1.1 dev eth0 proto dhcp src 192.168.1.42 metric 100

• default — destination prefix. default = 0.0.0.0/0.
• via 192.168.1.1 — next-hop IP.
• dev eth0 — exit interface.
• proto dhcp — источник записи. Бывает kernel (автоматическая), static (руками), dhcp (от DHCP-сервера), bgp / ospf (от dynamic routing), boot (при загрузке).
• src 192.168.1.42 — какой src IP использовать в пакетах, идущих по этому маршруту. Полезно когда у машины несколько IP.
• metric 100 — стоимость маршрута. Если есть несколько маршрутов до одной цели — выбирается меньшая метрика.

# Посмотреть routing table детально:
ip -d route show
ip route show table all   # все таблицы, включая main, local, default

# Linux может иметь несколько routing tables (для policy-based routing):
ip rule list
# 0: from all lookup local
# 32766: from all lookup main
# 32767: from all lookup default

local — маршруты к собственным IP (loopback, своим интерфейсам). main — обычные маршруты (то что показывает ip route show). default — последний по приоритету.

Policy-based routing (PBR) — продвинутая тема. Например, «трафик из src 192.168.1.50 — через VPN, остальной — напрямую». Реализуется через ip rule + дополнительные таблицы.

Попробуй сам

# 1. Посмотреть routing table:
ip route show
netstat -nr -f inet   # macOS

# 2. Узнать, куда пойдёт пакет:
ip route get 8.8.8.8
# 8.8.8.8 via 192.168.1.1 dev eth0 src 192.168.1.42 uid 1000

# 3. Узнать MTU маршрута:
ip route get 8.8.8.8 | grep -o 'mtu [0-9]*'

# 4. Симулировать трассу:
traceroute -n 8.8.8.8
# 1  192.168.1.1  1.234 ms
# 2  10.0.0.1     5.678 ms     (gateway провайдера)
# 3  87.123.45.6  12.345 ms    (магистраль)
# ...

# 5. Добавить временный маршрут (нужен root):
sudo ip route add 192.0.2.0/24 via 192.168.1.5 dev eth0
ip route show 192.0.2.0/24
sudo ip route del 192.0.2.0/24

# 6. Удалить default gateway и посмотреть, что произойдёт:
# СТОП -- это сломает интернет! Делайте только если знаете, как восстановить:
sudo ip route del default
ping -c 1 8.8.8.8        # "Network unreachable"
# Восстановить:
sudo ip route add default via 192.168.1.1 dev eth0

# 7. Посмотреть таблицы local и main:
ip route show table local
ip route show table main

# 8. Узнать source IP для пакета к конкретному hostу:
ip route get 8.8.8.8 | grep -o 'src [0-9.]*'
# Это полезно для приложений, биндящихся на конкретный IP