网络地址转换算法研究

摘要:计算机网络性能是衡量计算机网络运行状态的各项指标的综合。计算机网络因其发展的高速度和各自为政的研究体制,以及兼容性等诸多闷题,出现了一些和总体发展趋势及未来需求不太和谐的技术,造成了网络性能效率低和不稳定。该文通过对地址分配的不合理性、协议数据的冗余度及ARP广播问题的分析,提出一种优化网络性能的策略。

关键词:网络性能;交换机探寻算法;优化

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)26-7409-02

1 IP承载网络存在的问题

尽管网络技术已经发展的比较成熟,并在社会、经济、技术等各个方面发挥越来越大的作用,但是,从技术的和应用两个方面考虑,现在网络层存在一些问题是不容回避的事实,为了分析这些问题,先要仔细分析与之密切相关的两个方面:结构和协议。

1.1 影响网络性能的结构因素

IP地址分配很不合理。在网络应用的初期,由于对IP地址的需求量认识不清,许多国家和地区球地址的分配都明显不够。后期随着各种应用的增加,不得不再次申请IP地址,但由于相邻的IP地址域已经被其它国家或地区申请并拥有,所获得的IP地址自然也就无法保证连续性,因露出现了很多国家和地区的IP地址相互交叉。这就造成了IP地址段和地理位置没有直接关系,如一个日本所属的IP地址段,其前面紧邻的地址段可能是荷兰的,而紧邻其后的某一段又可能是印度的。这就造成了传送每一个网络数据,都必须在处理设备中有去往该网络的路由表项,否则不能正确地进行数据转发。

1.2 影响网络性能的协议因素

影响网络的协议因素很多,但最关键的只有两大类:

1)网络上使用的链路通信帧格式过于复杂。随着链路性能的逐步提高,当前在广域网上运行的协议在检错、纠错方面采取了弱化的方式,但大多数依然保存了帧校验序列(FCS)。荐加上出于安全的目的而采用的一些校验核等数据,冗余数据占通信数据量的比例比较大,在很大程度上降低了通信的效率,做适当的改进非常必要。

2)接入局域网后的ARP协议的使用有待改进。ARP协议的工作过程简单易行,但由于其自身问题给别有用心者实施ARP欺骗留下了可乘之机,并给大量局域网的应用带来了严重的危害。

2 交换机探询算法

随着链路性能的逐步改进,物理层数据出错的概率业已下降到了一个基本可以忽略的程度,数据链路层帧的传输再去做大量的检错纠错工作已经不是十分必要。而且我们都知道,不管是OSI的七层协议,还是TCP/IP的四层协议,其最终保证通信可靠性的是传输层。可以设想未来网络的广域网链路中帧格式的冗余数据会大幅度下降。很多网络的改进已经采用了简化链路层的思路,这其中比较成熟的是FR(帧中继)技术。仅比网络层增加了2个字节的帧定界、2个字节的校验序列和2个字节的地址。

在大部分广域网中,链路层只是一个简单的过渡,如图1中数据包的走向如箭头所示,当有一个数据包Pa需要从Rl经链路l到R2,那一定是因为Rl根据其内部路由表对Pa做出的路由选择,R2应该无条件的接收,再根据自己的情况决定转发路径,那么在链路1上的数据帧中加上一个物理地址(且这一物理地址离开链路1就没有意义),显得毫无必要。因为这里不存在广播的问题,也就是说送达该端口的数据一定是该节点应该接收的,所有要做的工作仅仅是如何规范地对数据帧的结构进行标准化。

本文对链路层优化的研究重点将放在局域网中,而其体数据链路层优化的思路是将终端ARP询问地址的方式改变为交换机定时查询,通过研究利用集中管理MAC地址的方式从根本上解决广播带来的问题。这种方法为交换机探询方法,其所使用的算法相应地称为交换机探询算法。

3 网络性能优化原理

如图2所示的局域网,各连接在SWI上的终端和路由器为了相互通信,采用ARP包探询其它终端或路由器的MAC地址。若有人想进行ARP欺骗则会用别人的MAC地址作应答,从而达到目的。

熟悉局域网工作原理的人都知道,作为交换机的SWI本身就是根据MAC地址表进行帧数据转发的。在启动伊始,它的地址表是空的,每当有数据帧经过,交换机就会将该帧数据的MAC地址和相应的端口记录下来形成一个表项,这个过程称为自学习。

仔细研究可以发现,只要将MAC地址表的形成过程由截获包的过程改变为交换机主动轮询即可避免欺骗。

SWI启动时对直接连在其端口上的PCI、PC2、PC3、PC4及路由器R1发包询问,由于是一对一的问答,因此不会产生欺骗。当然也可采用类似于NETSTAT这样的命令直接对硬件进行查询,出现欺骗的可能性就会更小。同样SW2也采用同样的方法构建自己的MAC地址表,然后相连的交换机(如图2中的SWl和SW2)互相交换通知自己所连的终端和设备,形成完备的MAC地址表。最后,再制作一份ARP高速缓存表(如果是这样,这一名称也就失去意义,应重新定义),发给和自己直接相连的终端及设备,每一个终端就了解网络所连的其它终端了。为了保证可靠性,交换机可以利用自己的工作间隙,定期硬件查询并进行刷新,通信就能一直顺利完成。

4 结论

网络的性能优化以及优化技术的具体应用有着极强的实用性和诱人的前景。改革网络节点中交换算法的研究,对解决这些问题将会产生一系列有价值的成果,本文所提出的交换机探询算法使得网络性能相关理论和网络节点转发算法更加完善,从而使得现实网络具有更高的可靠性、更小的时延、更大的带宽,并能提供更加优越的服务。

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