IP数据报传输机制与路由原理分析

摘 要:网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一,也是最重要的因特网标准协议之一。从IP层的协议开始,由浅入深、由概括到具体地介绍了IP数据报的传输机制,包括IP协议、IP地址、IP层转发分组等内容。此外,还涉及到了路由原理以及相关的路由协议。

关键词:IP;路由;路由协议

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:16723198(2009)21025702

1 网际IP协议

(1)IP协议概述。网际协议或互联网协议(Internet Protocol,IP)是用于报文交换网络的一种面向数据的协议,是网络层通信的标准协议,它负责提供基本的数据封包传送功能,让每一块数据包都能够到达目的主机,但不检查是否被正确接收。与IP协议配套使用的还有四个协议:地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP、网际控制报文协议ICMP、网际组管理协议IGMP。

(2)虚拟互连网络中IP数据报的传输。

如一个互联网中的源主机要把一个IP数据报发送给目的主机。根据分组交换的存储转发的概念,源主机先要查找自己的路由表,看目的主机是否就在本网络上。如果是,则不需要经过任何路由器而是直接交付,任务就完成了。如果不是,则必须把IP数据报发送给某个路由器A。A在查找了自己的路由表后,知道应当把数据报转发给路由器B进行间接交付。这样一直转发下去,最后由路由器C知道自己是和目的主机连接在同一个网络上,不需要再使用别的路由器转发了,于是就把数据报直接交付给目的主机。而各个网络之间可以是异构的。

(3)IP地址。

IP地址是为每个网络连接(网卡)分配一个在全世界范围内惟一的标识。报文头中的源IP地址、宿IP地址分别表示源主机、目的主机的IP逻辑地址。

IP地址长度为32比特,由网络号、主机号组成,常用的IP地址有A类、B类、C类地址,路由器就根据IP地址进行寻址。

现在的国际互联网普遍的采用了IP协议。而现在正在网络中运行的IP协议是IPv4;IPv6 为IPv4的后续的一个版本。互联网现在正慢慢的耗尽IP地址,而IPv6的出现解决了这个问题,与IPv4的32位的地址相比较而言,IPv6拥有128位的地址空间可以提供比前者多很多的地址。

(4)IP层转发分组。

在TCP/IP系统中,选路是指在网络中选择一条用于传送IP数据包路径的过程。路由器是承担选路任务的网络设备。用于决策选路的信息称为IP选路信息。路由器使用IP选路信息,对所传输的IP数据包进行IP转发。

由于Internet是由许多不同的物理网络连接而成的,加入Internet的计算机在与其他入网计算机通信时,发送信息的源计算机可能与接收信息的目的计算机在同一个物理网络中;也可能不在同一个物理网络(如以太网)中。IP数据包在从源计算机发送到网络上后,根据上述两种不同情况,被传递到目的计算机时也有两种方式:直接交付和间接交付。

①直接交付:IP数据包被直接交付时不需要经过路由器。因为在运行TCP/IP协议的以太网中,入网的计算机TCP/IP协议族的ARP协议软件,会帮助查询到本物理网络中其他计算机的MAC地址,使IP数据包可以直接从源计算机传递到目的计算机。

②间接交付:当送出IP数据包的源计算机与接收数据包的目的计算机不在同一个物理网络时,就需要借助跨接不同物理网络的路由器实现间接交付。特别是当源计算机与目的计算机被多个物理网络隔开,且它们之间可能有多条信息传输路径时,IP数据包的间接交付不但需要借助多台路由器,还有一个选择最佳路径的问题。

2 路由选择协议

2.1 路由原理

当IP子网中的一台主机发送IP分组给同一IP子网的另一台主机时,它将直接把IP分组送到网络上,对方就能收到。而要送给不同IP于网上的主机时,它要选择一个能到达目的子网上的路由器,把IP分组送给该路由器,由路由器负责把IP分组送到目的地。

路由动作包括两项基本内容:寻径和转发。寻径即判定到达目的地的最佳路径,由路由选择算法来实现。路由选择算法将收集到的不同信息填入路由表中,根据路由表可将目的网络与下一站(nexthop)的关系告诉路由器。路由器间互通信息进行路由更新,更新维护路由表使之正确反映网络的拓扑变化,并由路由器根据量度来决定最佳路径。这就是路由选择协议(routing protocol),例如路由信息协议(RIP)、开放式最短路径优先协议(OSPF)和边界网关协议(BGP)等。

转发即沿寻径好的最佳路径传送信息分组。路由器首先在路由表中查找,判明是否知道如何将分组发送到下一个站点,如果路由器不知道如何发送分组,通常将该分组丢弃;否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点,如果目的网络直接与路由器相连,路由器就把分组直接送到相应的端口上。这就是路由转发协议(routed protocol)。

2.2 路由协议

典型的路由选择协议有静态路由选择策略与动态路由选择策略。静态路由选择的特点是简单和开销小,但不能及时适应网络状态的变化。对于很简单的小网络,完全可以采用静态路由选择,用人工配置每一条路由。动态路由选择的特点是能较好地适应网络状态的变化,但实现起来较为复杂,开销也比较大,因此,动态路由选择适用于较复杂的大网络。

根据是否在一个自治域内部使用,动态路由协议分为内部网关协议(IGP)和外部网关协议(EGP)。自治域内部采用的路由选择协议称为内部网关协议,常用的有RIP、OSPF;外部网关协议主要用于多个自治域之间的路由选择,常用的是BGP和BGP-4。

(1)RIP协议。RIP协议最初是为Xerox网络系统的Xerox parc通用协议而设计的,是Internet中常用的路由协议。RIP采用距离向量算法,所以也称为距离向量协议。路由器收集所有可到达目的地的不同路径,并且保存有关到达每个目的地的最少站点数的路径信息,除到达目的地的最佳路径外,任何其它信息均予以丢弃。同时路由器也把所收集的路由信息用RIP协议通知相邻的其它路由器。这样,正确的路由信息逐渐扩散到了全网。

RIP使用非常广泛,它简单、可靠,便于配置。但是RIP只适用于小型的同构网络。而且RIP每隔30s一次的路由信息广播也是造成网络的广播风暴的重要原因之一。此外,它还有慢收敛的问题,即好消息传播快,坏消息传播慢。

(2)OSPF协议。20世纪80年代中期,RIP已不能适应大规模异构网络的互连,OSPF随之产生。它是网间工程任务组织(1ETF)的内部网关协议工作组为IP网络而开发的一种路由协议。

OSPF是一种基于链路状态的路由协议,需要每个路由器向其同一管理域的所有其它路由器发送链路状态广播信息。在OSPF的链路状态广播中包括所有接口信息、所有的量度和其它一些变量。利用OSPF的路由器首先必须收集有关的链路状态信息,并根据一定的算法计算出到每个节点的最短路径。

(3)BGP协议。BGP是为TCP/IP互联网设计的外部网关协议,用于多个自治域之间。它既不是基于纯粹的链路状态算法,也不是基于纯粹的距离向量算法。它的主要功能是与其它自治域的BGP交换网络可达信息。各个自治域可以运行不同的内部网关协议。BGP更新信息包括网络号/自治域路径的成对信息。自治域路径包括到达某个特定网络须经过的自治域串,这些更新信息通过TCP传送出去,以保证传输的可靠性。

2.3 新一代路由器

由于多媒体等应用在网络中的发展,以及ATM、快速以太网等新技术的不断采用,网络的带宽与速率飞速提高,传统的路由器已不能满足人们对路由器的性能要求。

新一代路由器使用转发缓存来简化分组的转发操作。在快速转发过程中,只需对一组具有相同目的地址和源地址的分组的前几个分组进行传统的路由转发处理,并把成功转发的分组的目的地址、源地址和下一网关地址放入转发缓存中。当其后的分组要进行转发时,应先查看转发缓存,如果该分组的目的地址和源地址与转发缓存中的匹配,则直接根据转发缓存中的下一网关地址进行转发,而无须经过传统的复杂操作,大大减轻了路由器的负担,达到了提高路由器吞吐量的目标。

参考文献

[1]谢希仁.计算机网络(第5版)[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2]黄智诚,谢剑锋.最新计算机网络应用基础教程[M].北京:中国石化出版社,2000.