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计算机网络:网络层 - IP数据报的转发

计算机网络:网络层 - IP数据报的转发

    • 基于终点转发
    • 最长前缀匹配
    • 二叉线索树路由表
    • 特殊路由
      • 特定主机路由
      • 默认路由
    • IP多播


基于终点转发

路由器转发报文时,是通过报文中的目的地址字段来转发的,也即是说路由器只知道终点的IP地址,根据这个地址来进行转发,这叫做基于终点转发

路由器拿到报文后,决定把这个报文向哪一个路由器转发,下一个收到报文的路由器也执行一样的操作,通过一个一个路由器的接力传送,直到分组的到达目的网络。

路由器内部存储了很多条目,每个条目代表一个网络,网络通常以网络地址/前缀长度或者是网络地址 网络掩码的形式

接下来我就用一个案例,来介绍路由器是如何决定把数据报转发到下一个路由器的:

在这里插入图片描述

源主机H1想要把数据报传输给主机H2源地址128.1.2.193目的地址128.1.1.132

第一步:先检测目的主机源主机是否在同一个网络中

这个步骤是由源主机自己完成的,如果在同一个网络中,那么直接在网络内部通信即可,无需路由器。

整个网络N1的网络前缀为128.1.2.192/26,子网掩码为255.255.255.192

源主机H1处于N1中,将目的地址与源地址的子网掩码进行按位与,看结果是否与源地址所处的网络N1相同,从而判断目的主机与源主机是否在一个网络

128.  1.  1.132 //目的地址
255.255.255.192 // 子网掩码
----------------
128.  1.  1.128 // 结果

最终结果为128.1.1.128,与N1的网络前缀128..1.2.192不同,所以不处于一个网络,此时要交给路由器转发。

假设现在把报文已经递交给了路由器R1R1的转发表如下:

在这里插入图片描述

第二步:当路由器转发报文时,根据自己的路由表,一一进行网络前缀匹配

从上往下,首先拿目的地址128.1.1.132128.1.2.64/26进行前缀匹配,/26的子网掩码为255.255.255.192,进行计算:

128.  1.  1.132 //目的地址
255.255.255.192 // 子网掩码
----------------
128.  1.  1.128 // 结果

结果128.1.1.128128.1.2.64/26不匹配,说明不是通过该路由。

随后拿第二条进行匹配,网络前缀为128.1.2.128/26,子网掩码为255.255.255.192,进行计算:

128.  1.  1.132 //目的地址
255.255.255.192 // 子网掩码
----------------
128.  1.  1.128 // 结果

结果128.1.1.1281288.1.1.128/26匹配,说明可以通过该路由转发,于是通过该路由通过该接口把数据报转发出去。

如果下一个节点还是路由器,则重复以上过程,如果已经到达指定网络,那么路由器的任务就结束了。


最长前缀匹配

有的时候,路由器内部可能会有多个条目匹配,此时要选择网络前缀最长的接口进行转发

某个路由器转发数据报时,目的地址为206.0.71.130,该路由器的路由表如下:

206.0.68.0/22    R1
206.0.71.128/25  R2

先匹配第一条,网络前缀206.0.68.0/22,子网掩码为255.255.252.0,将目的地址子网掩码进行按位与:

206.  0. 71.130 //目的地址
255.255.252.  0 // 子网掩码
----------------
206.  0. 68. 0 // 结果

结果206.0.68.0和网络前缀206.0.68.0/22匹配,说明可以通过路由器R1转发。

随后再匹配第二条,网络前缀206.0.71.128/25,子网掩码为255.255.255.128,将目的地址子网掩码进行按位与:

206.  0. 71.130 //目的地址
255.255.252.128 // 子网掩码
----------------
206.  0. 68.128 // 结果

结果206.0.68.128与网络前缀206.0.71.128/25也匹配,可以通过路由器R2转发。

此时既可以通过R1也可以通过R2,但是R1的网络前缀长度为/22,而R2的网络前缀长度为/25,所以选择R2进行转发,这就是最长前缀匹配

通过匹配更长的网络,可以确保数据包被转发到最具体的网络,而不是更广泛的网络。

为了提高最长前缀匹配的效率,路由器会对条目排序,把前缀长的条目放在前面

这样进行匹配时,只需要从上往下匹配即可,第一个匹配的网络一定是最长的,无需在往下匹配了。


二叉线索树路由表

当转发表的项目数很大时,为了进行更加有效的查找,通常是将无分类编址的转发表存放在一种层次的数据结构中,然后自上而下地按层次进行查找。这里最常用的就是二叉线索树(binary trie),它是一种特殊结构的树。

IP 地址中从左到右的比特值决定了从根节点逐层向下延伸的路径,而二叉线索中的各个路径就代表转发表中存放的各个网络前缀

为了简化二叉线索的结构,用每条路由中网络前缀唯一前缀来构造二叉线索。在进行查找时,只要和唯一前缀相匹配,就表示和这条路由相匹配

比如下图:

在这里插入图片描述

对于第一条地址,其网络前缀为01000110.0.0.0,现在确定该网络前缀的唯一前缀:

  1. 第一位0:该路由表中有其它的地址第一位也是0,不是唯一前缀
  2. 前两位01:该路由表中有其它的地址前两位也是01,不是唯一前缀
  3. 前三位010:该路由表中有其它的地址前三位也是010,不是唯一前缀
  4. 前四位0100:该路由表中没有其它的地址前四位是0100,是唯一前缀

因此第一个条目的唯一前缀就是0100,利用这个前缀构建节点,也就是图中的蓝色路径。

要将二叉线索用于转发表中,还必须使二叉线索中的每一个叶节点包含对应的网络前缀子网掩码。当搜索到一个叶节点时,就必须将目的 IP 地址和该叶节点的子网掩码进行按位与运算,看结果是否与对应的网络前缀相匹配。若匹配,就按下一跳的接口转发该分组;否则,就丢弃该分组。


特殊路由

在路由表中,还存在两种特殊的路由:特定主机路由默认路由

特定主机路由

特定主机路由是指针对特定 IP 地址的路由条目。它明确指定了到达该主机的路径,包括下一跳路由器和网络接口。这种路由的子网掩码为255.255.255.255

相比于一般的路由,特定主机路由的优先级是最高的,这可以从最长前缀匹配的角度理解,其前缀长度为/32

应用场景

  • 当需要与特定主机建立直接连接时,例如访问特定服务器或设备。
  • 当需要优化特定主机的网络性能时,例如将数据包直接转发到目标主机,避免经过其他路由器。

默认路由

默认路由是指当路由器无法找到与目的 IP 地址匹配的路由时,会使用的路由条目。它通常指向一个默认网关,负责将数据包转发到其他网络。

该路由的网络前缀为0.0.0.0/0,一般是最后一个匹配的路由,只有当前所有的条目都匹配不上,才会走这个条目。


IP多播

如图所示:

在这里插入图片描述

现在一个服务器要同时给90台主机提供相同的服务,如果采用单播的方式,那么同样一份数据就要拷贝90份发送出去,这会造成大量资源浪费,对此我们会采用IP多播的方式。

如图所示:

在这里插入图片描述

在服务器发送数据报时,只发送一份,随后路由器根据多播,将其复制多分发送给指定的路由器,后面的路由器也重复该过程。直到该数据报传输到一个局域网内部。

IP 多播所传送的分组需要使用多播 IP 地址,也就是 D 类IP 地址多播地址只能用于目的地址,而不能用于源地址

IP 多播可以分为两种,一种是只在本局域网上进行硬件多播,另一种则是在互联网的范围进行多播。在互联网上进行多播的最后阶段,还是要把多播数据报在局域网上用硬件多播交付多播组的所有成员。


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