用IP地址的用途理解Loopback接口

素颜马尾好姑娘i 2022-12-05 02:12 236阅读 0赞

## 1.问题 ##

IP地址到底是属于主机的还是属于网卡的？这个问题有点太学院派了，现实中，只要懂得IP地址的概念以及IP路由，基本上没有问题。IP作为一个网络层协议，它更多的意义在于寻址而不是标识主机，因此你可以认为IP是属于网卡的。  
        然而不同的人对于IP地址有不同的看法，程序员看来，IP地址是属于主机的，因为他们总是用一个套接字来表示一个服务，套接字中的IP地址表示一台主机，协议和端口号表示了该主机上的一个特定进程；对于网络工程师而言，他们会认为IP地址是属于一个网段的，也就是编写于网卡上的，如果一台主机有多块网卡，那么它的每块网卡都可以有多个IP地址，IP地址在网络工程师看来，更多的是为了根据IP路由结果将数据包发往下一跳。

## 2.Local路由表 ##

每一台实现了TCP/IP的主机都有一张Local路由表，虽然实现方式不一定一样。所谓的Local路由表，就是标示到达所有本机所有网卡的IP地址的路由，包括物理网卡和虚拟网卡，当然也包括咯opback网卡，这些路由的下一跳就是最后一跳，其实就是本机，也就是本地接收！后文会提到，在任意一块网卡上配置一个IP地址，内核都会自动增加一个Local表的路由项。  
        因此，只要是在Local表中配置一条路由，数据包就会被本地三层接收，至于能否接收成功，就看第四层以及更高层了。

## 3.负责寻址的IP地址 ##

IP地址在TCP/IP网络上身兼两职，既标示主机，又负责寻址。IP是无状态无连接的，数据包是一跳一跳逐渐接近目的地的，其重要作用的是IP路由，每个中间设备都会有一张路由表，数据包到达该中间设备的时候，根据最长掩码匹配原则(不考虑有类IP寻址)，找到下一跳的IP地址，然后进行“下一跳解析”(比如arp)将寻址落实在链路层，然后将数据包发往下一跳。

## 4.标示主机本身的IP地址 ##

IP地址在TCP/IP网络上身兼两职，既负责寻址，又标示主机。由于二元对立，标示主机的IP地址当然就不能配置在任何物理网卡上，也不会依赖物理网卡的up和down，只要主机本身没有down掉(崩溃或者掉电等)，任何一块物理网卡的down掉就不妨碍该主机继续提供服务，但是前提是数据包可以从另一块网卡到达该主机。

## 5.配置在物理网卡上的IP地址标示主机 ##

配置在物理网卡上IP地址都可以标示主机，因为该物理网卡上配置IP的时候，会对路由表产生影响，第一个影响是会生成一条直连路由，另一个影响就是会生成一条Local路由，只要生成了Local路由就能标示主机，但是物理网卡IP标示主机的前提是该物理网卡是up状态，但是这合理吗？物理网卡的up状态保持依赖于很多的外部条件，甚至依赖该网卡对端设备的up状态，因此这种标示法是不合理的，正常情况下，不应该用物理网卡的IP地址来标示主机，物理网卡的IP地址应该只负责寻址！

## 6.IP地址规划 ##

IP地址由主机位和网络位组成，主机位的位数描述了网络的规模，规划网络的时候，网络中可容纳的网卡地址数量为主机位容量减去2，因此只要规划一个网络就会浪费掉两个地址，避免广播地址和网络地址的方式就是使用32位前缀，由于32位前缀的IP地址不再表示一个网络，因此也就不可能拥有所谓的同网段直连路由(即链路层路由)，那么使用32位前缀IP地址的代价就是手工添加一条明确的路由指向32位IP地址的目标作为最后一跳。  
        至此，我将IP地址分成了两种用途，第一种用途用来标示主机，我使用32位前缀的地址，第二种用途我用来寻址，执行标准的IP路由。依照前文的描述，标示主机的IP地址不能配置在物理网卡上，那么配置在哪里呢？答案就是Loopback接口。

## 7.Loopback接口 ##

Loopback接口是一个特殊的虚拟网卡，很多人都认为它的地址是127.0.0.1，用于测试协议栈是否有故障，然而事情不是大多数人想当然的这么简单。  
        首先，我可以肯定地说，配置在Loopback接口上的IP是属于主机的，而配置在物理网卡上的IP地址在不同层面可以认为属于主机和属于网卡。另外，这种Loopback不依赖任何物理链路状态和链路层协议，永远不会down掉，只要有一块网卡是up状态并且路由可达，该Loopback接口上配置的标示该主机的IP地址就可达。

## 8.配置路由指定源地址很重要 ##

到此，我将IP地址的两类用途彻底分离了，用于寻址的不用来标示主机，用于标示主机的不负责寻址，也就是说，当绑定套结字的时候，不再使用物理接口的IP地址，而是使用Loopback口的32位前缀的IP地址。然而分久必合，IP地址两类用途之间还是有关联的，这种关键体现在数据包发出时的源地址选择上，按照IP路由逻辑，在没有bind地址的情况下，源地址选择将和下一跳网关执行最长掩码匹配算法来选择。我们不能指望上层都会bind源地址，因此就需要在IP层影响源地址选择算法，否则Loopback接口的地址将永远不会被选中，因为它没有链路层路由，和任何地址都不处在“同一网段”，故而你不能在“该网段”去寻找下一跳。  
        因此，配置路由指定源地址很重要，幸运的是Linux系统使用iproute2可以实现，而Windows系统通过一种变通的方式也能做到(但是Windows系统需要安装额外的Loopback驱动用以导出该虚拟接口)。

## 9.一个实际例子 ##

我添加一个32位掩码的IP地址到Loopback接口：  
**ip addr add dev lo 33.33.33.33/32**  
再添加两条路由  
**ip route add 0.0.0.0/0 via 1.1.1.2 metric 10 src 33.33.33.33  
ip route add 0.0.0.0/0 via 2.2.2.2 metric 20 src 33.33.33.33**  
然后在其网卡1直连的机器1上配置一条路由：  
**route add -host 33.33.33.33 gw 1.1.1.1 (1.1.1.1是网卡1的IP地址)**  
然后在其网卡2直连的机器2上配置一条路由：  
**route add -host 33.33.33.33 gw 2.2.2.1 (2.2.2.1是网卡2的IP地址)**  
效果是什么？效果就是网卡1或者网卡2由于某种原因down掉了，只要另一个还up，33.33.33.33这个地址就是可达的，同时33.33.33.33也是提供服务的地址。在这个例子中，网卡上配置的1.1.1.1，2.2.2.1这两个IP地址完全是用于IP路由寻址的，而标示主机的33.33.33.33则配置在Loopback接口上。Loopback接口的IP地址被认为只能是最后一跳，因为不能将它用于寻址。

## 10.另一个方案 ##

既然标示主机的IP地址可以全部配置在loopback上，那么为何不把所有的IP地址都配置在loopback上呢？即物理网卡上不再配置任何IP地址，然后配置arp，使得可以回复本应该配置在物理网卡的但是实际上却配置在loopback上的IP地址的ARP请求，另外直连路由需要从loopback删除，并重新手工添加在相应的物理网卡上。

## 11.续 ##

Loopback实际上是个hole，但是如果它不是一个hole，它确实可以做一些事，类似Cisco的NVI那样...