網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

劉 潔，何 倩

LIU Jie，HE Qian

（唐山學(xué)院，唐山 063020）

1 什么是網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是OSI參考模型中的第三層，介于傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層之間，它在數(shù)據(jù)鏈路層提供的兩個(gè)相鄰端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)幀的傳送功能上，進(jìn)一步管理網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)設(shè)法從源端經(jīng)過若直干個(gè)中間節(jié)點(diǎn)傳送到目的端，從而向傳輸層提供最基本的端到端的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。簡(jiǎn)單的說就是網(wǎng)絡(luò)層提供兩臺(tái)主機(jī)之間的連接和路徑選擇。網(wǎng)絡(luò)層包括以下協(xié)議：IP（Internet協(xié)議），ICMP（Internet控制信息協(xié)議），ARP（地址解析協(xié)議），RARP（逆向地址解析協(xié)議），BOOTP（自舉協(xié)議），DHCP（動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議），路由協(xié)議和路由選擇協(xié)議。本文主要介紹ARP協(xié)議，路由協(xié)議和路由選擇協(xié)議的應(yīng)用和原理。

2 ARP協(xié)議

在網(wǎng)絡(luò)中是以“幀”作為實(shí)際傳輸?shù)模瑪?shù)據(jù)傳輸是有目標(biāo)性的，所以“幀”里面包含著目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，在以太網(wǎng)中，兩太主機(jī)之間如果要進(jìn)行直接通信，是要先確定彼此的MAC地址的，這個(gè)MAC地址就是通過ARP協(xié)議獲得的，在通信前主機(jī)將目標(biāo)的IP轉(zhuǎn)換成目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，這個(gè)過程就叫做“地址解析”。每個(gè)IP地址都對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)設(shè)備的MAC地址，而MAC地址是唯一的，ARP協(xié)議就是通過IP地址來確認(rèn)目標(biāo)的MAC地址，這樣可以保證通信的暢通進(jìn)行。如圖1所示。

圖1 通過IP地址來確認(rèn)目標(biāo)的MAC地址

3 ARP的解析過程

根據(jù)上圖我們來說明一下ARP的解析過程是什么樣的，如圖1源主機(jī)IP地址為：197.15.22.33，目標(biāo)主機(jī)IP地址為：197.15.22.126。程序產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，然后把數(shù)據(jù)包提供給網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。假設(shè)源主機(jī)不能在MAC表中確定目標(biāo)IP地址所對(duì)應(yīng)的MAC地址。那么源主機(jī)就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)ARP請(qǐng)求過程。源主機(jī)生成一個(gè)ARP分組，并把該分組向子網(wǎng)內(nèi)部所有設(shè)備發(fā)送，為了確保子網(wǎng)內(nèi)所有的主機(jī)都能看見，源主機(jī)會(huì)使用一個(gè)廣播形式為FFFF-FF-FF-FF-FF-的MAC地址。由于ARP請(qǐng)求分組廣播模式發(fā)送，所以子網(wǎng)內(nèi)的所有設(shè)備都能看到和接受這些分組信息，然后把信息交給網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行處理。經(jīng)過處理后，如果一臺(tái)主機(jī)的IP地址于ARP請(qǐng)求中的目標(biāo)IP地址相吻合的話，該主機(jī)就會(huì)想源主機(jī)發(fā)送自己的MAC地址來響應(yīng)。這個(gè)過程叫做ARP的應(yīng)答。

源主機(jī)在收到回應(yīng)后，因?yàn)樽约旱腁RP表里沒有目標(biāo)主機(jī)的MAC地址，所以源主機(jī)會(huì)從目標(biāo)主機(jī)的硬件地址字段中提取出MAC地址，然后更新。這樣就可以給數(shù)據(jù)正確的指定目標(biāo)MAC地址和IP地址拉。

4 代理ARP協(xié)議

上面講述了在一個(gè)子網(wǎng)中ARP是怎么解析的過程，那么在不同的網(wǎng)絡(luò)上，主機(jī)之間的通信，ARP是怎么做的呢。

在不同網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信有三種形式：第一種缺省網(wǎng)關(guān)，第二中是設(shè)備會(huì)監(jiān)聽路由器的通告。第三種是代理ARP。

代理ARP是ARP協(xié)議的一個(gè)變種，一臺(tái)中間設(shè)備代表端節(jié)點(diǎn)想發(fā)送請(qǐng)求的主機(jī)發(fā)送ARP響應(yīng)，運(yùn)行代理ARP的路由器會(huì)捕捉到這些ARP分組，他們使用它們自己的MAC地址響應(yīng)那些不在本地子網(wǎng)地址范圍內(nèi)的請(qǐng)求。

如果數(shù)據(jù)包的目的IP地址不在本子網(wǎng)內(nèi)，路由器就用直接連接到主機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)的接口MAC地址進(jìn)行應(yīng)答，這就是代理ARP的工作原理。

5 ARP請(qǐng)求和ARP應(yīng)答

ARP只是在本地網(wǎng)絡(luò)上使用，當(dāng)一臺(tái)路由器不知道下一跳路由器的MAC地址時(shí)，源路由器就會(huì)發(fā)布一個(gè)ARP請(qǐng)求。與源路由器處于同一個(gè)網(wǎng)段的路由器就會(huì)接受該ARP的請(qǐng)求，而且這臺(tái)路由器會(huì)給發(fā)布該ARP請(qǐng)求的源路由器給出一個(gè)應(yīng)答，該應(yīng)答包括了應(yīng)答路由器的MAC地址。

路由器收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)剝?nèi)ピ诜庋b中使用的數(shù)據(jù)鏈路層信息，然后將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)層，在這一層路由器會(huì)檢查目標(biāo)設(shè)備的IP地址，它會(huì)把目標(biāo)設(shè)備的IP地址和路由選擇表中所包含的信息進(jìn)行比較，如果路由器定位到了映射的目標(biāo)設(shè)備IP地址和MAC地址，并且知道了連接到該網(wǎng)絡(luò)的端口，那么它就會(huì)用新的MAC地址信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后轉(zhuǎn)發(fā)到正確的目標(biāo)設(shè)備上。如果該路由器不能將最終目標(biāo)設(shè)備的IP地址映射為MAC地址，它要么發(fā)送一個(gè)ARP請(qǐng)求，要么去定位另外一臺(tái)路由器的MAC地址，然后將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到那臺(tái)路由器上。如果不存在一臺(tái)缺省路由器，而且沒有ARP應(yīng)答，那么該分組就會(huì)被丟棄。

6 路由協(xié)議和路由選擇協(xié)議

在實(shí)際的應(yīng)用和學(xué)習(xí)中，經(jīng)常把路由協(xié)議和路由選擇協(xié)議混淆，下面就先說說什么是路由協(xié)議和路由選擇協(xié)議，他們的區(qū)別是什么。

1）路由協(xié)議：路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層地址中提供足夠的信息，使得一個(gè)分組能夠基于該尋址方案從一臺(tái)主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到另一臺(tái)主機(jī)。它規(guī)定了分組內(nèi)部字段的格式以及使用，使得分組能實(shí)現(xiàn)端到端的傳遞，網(wǎng)際協(xié)議（IP）就是路由協(xié)議。

2）路由選擇協(xié)議：路由選擇協(xié)議通過提供共享路由選擇信息的機(jī)制來支持路由協(xié)議的運(yùn)行。路由選擇信息在路由器之間傳達(dá)，路由選擇協(xié)議使得路由器能與其他的路由器進(jìn)行通信并更新和維護(hù)自己的路由表。路由信息協(xié)議，內(nèi)部網(wǎng)觀路由協(xié)議，增強(qiáng)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議以及開放式最短路徑優(yōu)先，都是路由選擇協(xié)議。

簡(jiǎn)單的說路由協(xié)議就是確定要達(dá)到的路徑，路由選擇協(xié)議就是來選擇路徑的。

7 常見的路由協(xié)議

7.1 EIGRP

首先我們先了解下EIGRP的前身IGRP（內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議），它是一種是Cisco公司20世紀(jì)80年代開發(fā)的，是一種動(dòng)態(tài)的、長(zhǎng)跨度（最大可支持255跳）的路由協(xié)議，使用度量（向量）來確定到達(dá)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最佳路由，由延時(shí)、帶寬、可靠性和負(fù)載等來計(jì)算最優(yōu)路由，它在同個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)具有高跨度，適合復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。

隨即現(xiàn)代化信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和壯大，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，這樣IGRP就開始變的不能在適應(yīng)這么大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展Cisco公司又開發(fā)了增強(qiáng)的IGRP，即EIGRP。EIGRP具有如下特點(diǎn)：

1）快速收斂。EIGRP使用了一個(gè)更新的算法叫散播更新算法，它的原理是這樣的，這里引用了兩個(gè)概念，最小開銷和次最小開銷，當(dāng)最小開銷的路徑不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)或者不能使用的時(shí)候，就會(huì)馬上切換到次最小開銷的路徑上，也就是說快速收斂。這個(gè)過程是通過在路由表中備份路由而實(shí)現(xiàn)的。

2）觸發(fā)式。在原來的RIP和IGRP協(xié)議中，為了保證路由表的隨時(shí)更新和網(wǎng)絡(luò)通暢，他們會(huì)間隔一定的時(shí)間就進(jìn)行一次路由信息的交換，這樣大大浪費(fèi)的帶寬，做了無用功。EIGRP只是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中路由狀態(tài)發(fā)生了變化或者度量發(fā)生改變的時(shí)候才會(huì)于鄰接EIGRP路由器發(fā)送路由更新。所以EIGRP要比IP和IGRP節(jié)省了很多帶寬。

3）增量更新。EIGRP使用了增量更新，也就是說當(dāng)路由進(jìn)行更新時(shí)，它只給需要知道它變更的路由器發(fā)送狀態(tài)改變信息，所以節(jié)省了更多的路由器CPU。

7.2 OSPF

OSPF（開放式最短路徑優(yōu)先）協(xié)議是一種為IP網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由選擇協(xié)議，由IETF開發(fā)并推薦使用。OSPF協(xié)議由三個(gè)子協(xié)議組成：Hello協(xié)議、交換協(xié)議和擴(kuò)散協(xié)議。

OSPF協(xié)議具有以下優(yōu)點(diǎn)：OSPF將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)在自己的連通狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣做不能很麻煩的重復(fù)計(jì)算最小開銷和次最小開銷，大大的減低了收斂的時(shí)間。OSPF在大型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的表現(xiàn)也為非凡的，它的出現(xiàn)讓異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以通過一種協(xié)議，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。而且使用OSPF在這樣的大型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的路由信息。當(dāng)我們有多條路徑去往相同的目的主機(jī)的時(shí)候OSPT也是可以支持和提供服務(wù)的。OSPT區(qū)別不同的外部路由是通過路由標(biāo)簽來進(jìn)行的。OSPT提供的網(wǎng)絡(luò)路由是安全的，表現(xiàn)在它使用路由驗(yàn)證，只有雙方路由起都通過了驗(yàn)證之后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它這種驗(yàn)證方式也很靈活，可以根據(jù)不同的區(qū)域來定義不同的驗(yàn)證方式。OSPF是一個(gè)非族類路由協(xié)議，路由信息不受跳數(shù)的限制，減少了因分級(jí)路由帶來的子網(wǎng)分離問題。

7.3 RIP

在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的路由器之間傳送路由時(shí)，最常用的是路由選擇協(xié)議（RIP）。這個(gè)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議可以計(jì)算到達(dá)目標(biāo)主機(jī)的距離，使用RIP的路由器會(huì)定期的更新路由選擇表，通常是每30秒一次，因此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量會(huì)消耗很多帶寬。如果在網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單的情況下，RIP使用的帶寬比鏈路狀態(tài)的協(xié)議少的多，所以RIP還有有一定的價(jià)值的。

RIP使用距離向量的概念來選擇發(fā)送數(shù)據(jù)的路徑，當(dāng)數(shù)據(jù)通過一臺(tái)路由器，從而通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)的時(shí)候，就認(rèn)為已經(jīng)通過了一跳。一條擁有4跳的路徑表明該數(shù)據(jù)為到達(dá)網(wǎng)絡(luò)上的最終目標(biāo)主機(jī)，必須要經(jīng)過4臺(tái)路由器才能到達(dá)。

如果有若干個(gè)路徑可以達(dá)到目標(biāo)主機(jī)，使用RIP的路由器會(huì)選擇從源主機(jī)到目標(biāo)主機(jī)跳數(shù)最少的路徑。但是由于RIP只考慮使用跳數(shù)在少的來選擇最佳路徑，所以不能保證被選擇的路徑是最快的。其他的路由協(xié)議會(huì)使用包括跳數(shù)在內(nèi)的很多計(jì)算值來確定最佳路徑的。但是RIP仍然很流行，并應(yīng)用廣泛。因?yàn)镽IP是最早研究出來的路由協(xié)議之一，這就意味著對(duì)它的理解比較深刻，而且它比鏈路狀態(tài)路由選擇協(xié)議要更簡(jiǎn)單。

使用RIP協(xié)議有一個(gè)很嚴(yán)重的問題，就是目的地由于距離太遠(yuǎn)而沒有辦法到達(dá)，因?yàn)镽IP要求一條路徑最多有15跳，如果目的地超過了15個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由器的挑，那么就認(rèn)為不可到達(dá)。

8 結(jié)論

本問通過介紹網(wǎng)絡(luò)層中的ARP協(xié)議，路由協(xié)議，路由選擇協(xié)議，以及對(duì)比了幾種常見的路由協(xié)議。來說明了在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中，對(duì)于協(xié)議的掌握是很重要的，更重要的是一些基礎(chǔ)和概念。在眾多的協(xié)議中不能混淆。

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