第三層IP協(xié)議和路由功能的介紹上

2019-11-04 11:02:00

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

　　在過(guò)去的20多年的時(shí)間里，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，從最初的X.25、幀中繼，到以太網(wǎng)、FDDI，再到目前流行的ATM，不同的技術(shù)提供了多樣化的網(wǎng)絡(luò)選擇。為了能夠在眾多不同類型的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互操作性，就需要使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

Internet所采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧不僅具有低層次的協(xié)議規(guī)范，如TCP和ip協(xié)議等，而且還對(duì)象電子郵件、模擬終端和文件傳輸這樣的高層次應(yīng)用也制定了相應(yīng)的規(guī)范。下圖中顯示了較為重要的Internet協(xié)議和OSI參考模型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

第三層IP協(xié)議和路由功能的介紹上（圖一）

本文將主要講述TCP、IP協(xié)議，以及其它一些相關(guān)協(xié)議和協(xié)議使用環(huán)境。本文的重點(diǎn)將放在對(duì)第三層IP協(xié)議和路由功能的介紹上，而對(duì)于第四層的TCP協(xié)議只做簡(jiǎn)單說(shuō)明。

TCP協(xié)議

TCP，即傳輸控制協(xié)議，是一種面向連接的傳輸層協(xié)議。通過(guò)使用序列號(hào)和確認(rèn)信息，TCP協(xié)議能夠向發(fā)送方提供到達(dá)接收方的數(shù)據(jù)包的傳送信息。當(dāng)傳送過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失情況時(shí)，TCP協(xié)議可以重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)包直到數(shù)據(jù)成功到達(dá)接收方或者出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)超時(shí)。TCP協(xié)議還可以識(shí)別重復(fù)信息，丟棄不需要的多余信息，使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境得到優(yōu)化。假如發(fā)送方傳送數(shù)據(jù)的速度大大快于接收方接收數(shù)據(jù)的速度，TCP協(xié)議可以采用數(shù)據(jù)流控制機(jī)制減慢數(shù)據(jù)的傳送速度，協(xié)調(diào)發(fā)送和接收方的數(shù)據(jù)響應(yīng)。TCP協(xié)議能夠把數(shù)據(jù)傳送信息傳遞給所支持的更高層次的協(xié)議或應(yīng)用使用。

IP協(xié)議

IP協(xié)議位于Internet協(xié)議棧的第三層，最早于1970年在UNIX系統(tǒng)平臺(tái)上開發(fā)成功。今天，IP協(xié)議已經(jīng)發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)相互之間進(jìn)行通訊的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，是HTTP和TCP等高層協(xié)議的基礎(chǔ)。除了可以提供網(wǎng)絡(luò)路由之外，IP協(xié)議還具有錯(cuò)誤控制以及網(wǎng)絡(luò)分段等眾多功能，是整個(gè)Internet協(xié)議棧的核心。

一個(gè)完整的IP地址由4字節(jié)，即32位數(shù)字組成，為了方便人們的使用，IP地址經(jīng)常被寫成10進(jìn)制的形式，中間使用符號(hào)“.”分開不同的字節(jié)。例如采用32位形式的IP地址如下：

00001010000000000000000000000001

假如使用十進(jìn)制的形式則為：

10.0.0.1

IP地址可以被劃分成不同的類，根據(jù)最左邊4個(gè)地址位的值決定具體的網(wǎng)絡(luò)類型。例如，所有的A類網(wǎng)絡(luò)的地址最左邊一位的值均為0，而其它剩余31位的值既可以取0也可以取1。即：

0xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

（x代表0或1）

根據(jù)A類網(wǎng)絡(luò)地址的規(guī)定，我們可以推算出該類型網(wǎng)絡(luò)的有效地址范圍是從0.0.0.0到127.255.255.255。

B類網(wǎng)絡(luò)地址從左向右第一位必須為1，第二為必須為0，其它30位則可以自由取值。例如：

10xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

因此，B類型網(wǎng)絡(luò)地址的有效取值范圍是從128.0.0.0到191.255.255.255。同樣的，除第一位必須為1之外，C、D和E類網(wǎng)絡(luò)地址的第二、三和四位都應(yīng)當(dāng)分別為1。我們?cè)谙卤碇袑?duì)不同網(wǎng)絡(luò)類型IP地址的劃分進(jìn)行了總結(jié)：

第三層IP協(xié)議和路由功能的介紹上（圖二）

域名

域名是一種更加方便，更易于記憶的可以唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)上任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)的方法。Internet使用域名系統(tǒng)（即DNS）給IP地址指定名稱，并且可以根據(jù)不同的命令在域名和IP地址之間進(jìn)行映射和轉(zhuǎn)換。域名系統(tǒng)采用類似目錄樹的等級(jí)結(jié)構(gòu)，所有的域名和地址信息都被保存在遍布Internet的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中。

作為公用網(wǎng)絡(luò)的Internet，所有的域名和地址都必須在使用前向授權(quán)域名注冊(cè)商注冊(cè)，然后才能使用。象.com，.net，和.org這樣的頂級(jí)域名只有那些具有頂級(jí)域名注冊(cè)權(quán)的注冊(cè)商才能夠注冊(cè)。

IPv4和IPv6

目前所普遍采用的IP協(xié)議又被成為IPv4，即版本4。更高版本的IPv6已經(jīng)開始在小范圍的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境內(nèi)開始試用，將在今后的幾年內(nèi)逐步取代IPv4。IPv6對(duì)整個(gè)地址分配系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，支持128位（32字節(jié)）的地址長(zhǎng)度，在性能和安全性上有所增強(qiáng)。

我們已經(jīng)知道IPv4只能支持32位（8字節(jié)）的地址長(zhǎng)度，因此所能分配的地址數(shù)目也是有限的，大致相當(dāng)于4,294,967,296，即2的32次方。當(dāng)然，在IP協(xié)議最早開始使用的時(shí)候，這個(gè)數(shù)字還是相當(dāng)可觀的，但是隨著近幾年全球范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的爆炸性增長(zhǎng)，可以使用的IPv4地址空間已經(jīng)越來(lái)越有限。雖然目前可以暫時(shí)采用類似操作系統(tǒng)虛擬內(nèi)存的虛擬地址技術(shù)，但是還是不能緩解日益增長(zhǎng)的壓力。因此，為了從根本上解決IP地址空間不足的問題，提供更加廣闊的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展空間，人們對(duì)IPv4進(jìn)行改進(jìn)，推出功能更加完善和可靠的IPv6。

網(wǎng)絡(luò)地址

由于受到網(wǎng)線電氣性能上的局限，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)一般都是由一些單獨(dú)的網(wǎng)段組成。路由器和網(wǎng)橋等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則被用來(lái)連接不同的網(wǎng)段。除了使用網(wǎng)線在物理上劃分網(wǎng)絡(luò)之外，還可以使用更高層次的軟件協(xié)議來(lái)劃分子網(wǎng)。子網(wǎng)不僅可以與物理網(wǎng)段一一對(duì)應(yīng)，還可以跨網(wǎng)段劃分。

即使不劃分子網(wǎng)，任何IP網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)都屬于一個(gè)由網(wǎng)絡(luò)地址決定的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)（多宿主主機(jī)因?yàn)榫哂卸鄩K網(wǎng)卡可以同時(shí)屬于多個(gè)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)）。具有相同網(wǎng)絡(luò)地址上的主機(jī)既可以位于同一個(gè)物理網(wǎng)段也可以分散在不同的地方，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址組合在一起，可以方便相互之間進(jìn)行通訊。

網(wǎng)絡(luò)地址和IP地址非常相似，但是我們不能把兩者混為一談。網(wǎng)絡(luò)地址由主機(jī)的IP地址和網(wǎng)絡(luò)類型決定。例如，對(duì)于10.0.0.1這個(gè)主機(jī)地址，默認(rèn)情況下最左邊的8位代表網(wǎng)絡(luò)地址，其它各位為0，即網(wǎng)絡(luò)地址為10.0.0.0。

我們?cè)谙卤碇薪o出了A、B和C類網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址劃分方法。因?yàn)镈和E類網(wǎng)絡(luò)只用于網(wǎng)絡(luò)治理目的，我們?cè)谶@里就不進(jìn)行說(shuō)明了。

第三層IP協(xié)議和路由功能的介紹上（圖三）

子網(wǎng)

除了由主機(jī)地址和網(wǎng)絡(luò)類型決定的網(wǎng)絡(luò)地址之外，IP協(xié)議還支持用戶根據(jù)自己網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需要，創(chuàng)建子網(wǎng)絡(luò)。子網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)地址相結(jié)合，不僅可以把位于不同物理位置的主機(jī)組合在一起，還可以通過(guò)分離要害設(shè)備或者優(yōu)化數(shù)據(jù)傳送等措施提高網(wǎng)絡(luò)安全性能，降低網(wǎng)絡(luò)流量。

子網(wǎng)掩碼

子網(wǎng)一個(gè)最顯著的特征就是具有子網(wǎng)掩碼。與IP地址相同，子網(wǎng)掩碼的長(zhǎng)度也是32位，也可以使用十進(jìn)制的形式。例如，以下二進(jìn)制形式的子網(wǎng)掩碼

11111111111111111111111100000000

采用十進(jìn)制的形式為：255.255.255.0

掩碼規(guī)則

子網(wǎng)掩碼既不能作為IP地址使用，也不同單獨(dú)存在，必須結(jié)合IP地址一起使用。子網(wǎng)掩碼的作用就是對(duì)IP地址進(jìn)行劃分，形成擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址兩部分。

一個(gè)有效的子網(wǎng)掩碼由兩部分組成，分別是左邊的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)地址位（用數(shù)字1表示）和右邊的主機(jī)地址位（用數(shù)字0表示）。象下面這兩個(gè)子網(wǎng)掩碼都是無(wú)效的。

00000000000000000000000000000000

11111111111111111111111111111111

擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)地址由我們上文所講的基本網(wǎng)絡(luò)地址和多出的子網(wǎng)地址組成。通過(guò)使用子網(wǎng)地址可以在主機(jī)地址空間內(nèi)劃分出一部分地址位作為子網(wǎng)絡(luò)的地址。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)小型企業(yè)計(jì)劃使用192.168.1.0網(wǎng)絡(luò)建立企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，并且希望為不同的部門分配不同的網(wǎng)段，這就需要使用子網(wǎng)掩碼對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分。我們已經(jīng)知道這是一個(gè)C類網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)地址為24位，假如要對(duì)其進(jìn)行分段，必須要求擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)地址的位數(shù)超過(guò)24。例如，假如我們決定使用25位的子網(wǎng)掩碼255.255.255.128，就會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)新的子網(wǎng)絡(luò)，而原先用于主機(jī)的地址位則會(huì)相應(yīng)減少。具體可見下表：

第三層IP協(xié)議和路由功能的介紹上（圖四）

假如我們?cè)谥鳈C(jī)地址中取兩位作為子網(wǎng)掩碼，可以創(chuàng)建4個(gè)子網(wǎng)；假如取三位作為子網(wǎng)掩碼，可以建立8個(gè)子網(wǎng)，按此類推。用戶可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建子網(wǎng)數(shù)和每個(gè)子網(wǎng)上可以連接的主機(jī)數(shù)權(quán)衡決定設(shè)置多少位的子網(wǎng)掩碼。

ARP和RARP

在一些象以太網(wǎng)這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，可以使用Internet協(xié)議棧中的兩個(gè)子協(xié)議ARP（地址解析協(xié)議）和RARP（逆向地址解析協(xié)議）動(dòng)態(tài)的獲得網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的IP地址。ARP協(xié)議可以通過(guò)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)廣播信息的方式，確定與某個(gè)網(wǎng)絡(luò)層IP地址相對(duì)應(yīng)的物理層地址（即MAC地址）。RARP是ARP的反向協(xié)議，同樣通過(guò)網(wǎng)絡(luò)廣播的方式?jīng)Q定與某個(gè)硬件地址相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層IP地址。RARP協(xié)議對(duì)于無(wú)盤工作站尤為重要，因?yàn)闊o(wú)盤工作站系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)不知道本機(jī)的網(wǎng)絡(luò)層地址，但是可以通過(guò)RARP協(xié)議找到與本機(jī)硬件層地址相對(duì)應(yīng)的IP地址。

路由

Internet是由遍布全球的無(wú)數(shù)個(gè)大大小小的網(wǎng)絡(luò)相互連接而成，可以在不同的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。作為連接不同網(wǎng)絡(luò)的接口設(shè)備，路由器已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，其主要功能就是連接多個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)間的最佳尋徑及數(shù)據(jù)傳送。根據(jù)路由器作用范圍的不同，我們可以將其分為內(nèi)部路由器和外部路由器兩種。其中，內(nèi)部路由器主要用于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部（又稱自主系統(tǒng)）信息的交換，而外部路由器則主要用于網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳送。

IP路由協(xié)議是一種動(dòng)態(tài)協(xié)議，要求路由設(shè)備能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境計(jì)算路由，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時(shí)可以自動(dòng)選擇最佳路徑。與動(dòng)態(tài)路由不同，靜態(tài)路由則要求網(wǎng)絡(luò)治理人員手動(dòng)配置路由信息，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境改變時(shí)，除非網(wǎng)管人員更改路由，否則靜態(tài)路由保持不變。

路由信息一般被保存在路由表中，其中每一條都包含目標(biāo)接收方地址和下一個(gè)路由器的地址等信息。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)環(huán)境的狀況隨時(shí)隨地都在發(fā)生變化，數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中所經(jīng)過(guò)的完整路徑很難事先預(yù)知，所以不可能在路由表中羅列出所有的路徑信息。因此，路由表一般只給出可以到達(dá)數(shù)據(jù)接收方的下一臺(tái)路由器的路徑，這樣就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上每一臺(tái)路由器之間形成的連續(xù)關(guān)系，為數(shù)據(jù)傳送提供最終的最佳完整路徑。

當(dāng)路由過(guò)程中出現(xiàn)異常情況時(shí)，IP協(xié)議本身并不提供任何的錯(cuò)誤監(jiān)控措施，而主要由ICMP（Internet控制信息協(xié)議）負(fù)責(zé)錯(cuò)誤情況的報(bào)告和處理。ICMP協(xié)議具有多項(xiàng)功能，除了可以向數(shù)據(jù)發(fā)送方傳回路由錯(cuò)誤信息之外，還可以檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可達(dá)性（使用ICMPEcho和Reply信息），提高路由效率（使用ICMPRedirect信息），以及提醒發(fā)送方數(shù)據(jù)包超出存活時(shí)間（使用ICMPTimeExceeded信息）等。總之，ICMP協(xié)議是整個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)必不可少的組成部分，尤其對(duì)那些運(yùn)行路由器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)說(shuō)作用更為重要。

最后，我們來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下各種路由協(xié)議。

內(nèi)部路由協(xié)議

內(nèi)部路由協(xié)議又稱IGP（內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議），主要在自主系統(tǒng)內(nèi)部使用。目前，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中較為常用的IGP主要有以下幾種：

RIP

假如要談到IP網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，就不能不提到RIP（路由信息協(xié)議）。RIP協(xié)議最早是由施樂公司在80年代推出，當(dāng)時(shí)主要用于施樂公司自己開發(fā)的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如今，RIP協(xié)議已經(jīng)被眾多的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所采用，成為一種基本的路由協(xié)議。

RIP主要適用于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，假如應(yīng)當(dāng)?shù)酱笮途W(wǎng)絡(luò)中則存在很多限制。例如，RIP協(xié)議規(guī)定任何兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間的路由跳躍次數(shù)（每通過(guò)一臺(tái)路由器定為跳躍一次）不得超過(guò)16。此外，RIP的聚斂速度很慢，這就意味著當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時(shí)，變動(dòng)信息需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才能傳送到所有的路由器。最后，RIP是通過(guò)查看兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路由跳數(shù)來(lái)確定最佳路由，而不考慮線路速度、使用率等其它因素，從而導(dǎo)致結(jié)果往往不是最佳路徑。正是基于上述原因，許多原先采用RIP協(xié)議的大型網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)向其它功能更加完善的路由協(xié)議。

IGRP

IGRP（內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議）是由Cisco公司在80年代開發(fā)的一種內(nèi)部路由協(xié)議，對(duì)RIP協(xié)議中存在的一些問題進(jìn)行了改進(jìn)。IGRP可以通過(guò)查看路由器之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲來(lái)確定最佳路徑。IGRP的聚斂速度要明顯快于RIP，因而可以有效的避免由于路由信息的不一致而導(dǎo)致的路由回路。此外，IGRP不存在RIP對(duì)路由長(zhǎng)度的限制，更加適合那些大型、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

為了更好的滿足運(yùn)行要害任務(wù)的大型網(wǎng)絡(luò)的需要，Cisco對(duì)IGRP協(xié)議的功能進(jìn)行了加強(qiáng)，將傳統(tǒng)距離向量路由協(xié)議易于使用的特點(diǎn)和鏈路狀態(tài)路由協(xié)議的高速度結(jié)合在一起，優(yōu)化了路由信息的傳送，降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用量。此外，除了IP路由之外，增強(qiáng)型IGRP協(xié)議還可以支持AppleTalk和NovellIPX路由信息。

OSPF

OSPF即最短路徑優(yōu)先協(xié)議由Internet工程任務(wù)組（IETF）推出以取代RIP。OSPF是一種基于鏈路狀態(tài)，采用分級(jí)結(jié)構(gòu)的域間路由協(xié)議，支持自主系統(tǒng)內(nèi)部的分級(jí)路由。自主系統(tǒng)可以被劃分成多個(gè)路由區(qū)域，其中每一個(gè)路由區(qū)域都是由相互連接的一個(gè)或多個(gè)子網(wǎng)組成，并且都與主干區(qū)域連接。此外，OSPF協(xié)議支持可變長(zhǎng)度子網(wǎng)延碼（VLSM），提供網(wǎng)絡(luò)地址空間轉(zhuǎn)換和基于帶寬的量的計(jì)算。

外部路由協(xié)議

外部路由協(xié)議提供了自主系統(tǒng)之間的路由，在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中最為常用的主要有以下兩種：

EGP

第一代廣為使用的外部路由協(xié)議就是EGP（外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議）。EGP可以提供動(dòng)態(tài)連通性，但是要求所有連接的自主系統(tǒng)都必須采用樹形結(jié)構(gòu)，這在Internet發(fā)展的初期還是可以使用的。

雖然EGP是一種動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，但是其設(shè)計(jì)原理非常簡(jiǎn)單，沒有采用任何形式的度量標(biāo)準(zhǔn)，因而也就無(wú)法真正做出智能化的路由決定。由于EGP協(xié)議已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)今復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的需要，因此正逐漸被另一種協(xié)議BGP所替代。

BGP

BGP協(xié)議對(duì)EGP中的很多要害性問題進(jìn)行了改進(jìn)。與EGP一樣，BGP也是一種域間路由協(xié)議，主要用于網(wǎng)絡(luò)核心路由器。但是與EGP不同，BGP被設(shè)計(jì)成可以在任何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的支持更加靈活。

上一篇：在HTTP/1.1中升級(jí)到TLS

下一篇：IP首部拆解