网络层协议

刘 洁，何 倩

LIU Jie，HE Qian

（唐山学院，唐山 063020）

1 什么是网络层

网络层是OSI参考模型中的第三层，介于传输层和数据链路层之间，它在数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据设法从源端经过若直干个中间节点传送到目的端，从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务。简单的说就是网络层提供两台主机之间的连接和路径选择。网络层包括以下协议：IP（Internet协议），ICMP（Internet控制信息协议），ARP（地址解析协议），RARP（逆向地址解析协议），BOOTP（自举协议），DHCP（动态主机配置协议），路由协议和路由选择协议。本文主要介绍ARP协议，路由协议和路由选择协议的应用和原理。

2 ARP协议

在网络中是以“帧”作为实际传输的，数据传输是有目标性的，所以“帧”里面包含着目标主机的MAC地址，在以太网中，两太主机之间如果要进行直接通信，是要先确定彼此的MAC地址的，这个MAC地址就是通过ARP协议获得的，在通信前主机将目标的IP转换成目标主机的MAC地址，这个过程就叫做“地址解析”。每个IP地址都对应一个目标设备的MAC地址，而MAC地址是唯一的，ARP协议就是通过IP地址来确认目标的MAC地址，这样可以保证通信的畅通进行。如图1所示。

图1 通过IP地址来确认目标的MAC地址

3 ARP的解析过程

根据上图我们来说明一下ARP的解析过程是什么样的，如图1源主机IP地址为：197.15.22.33，目标主机IP地址为：197.15.22.126。程序产生数据包，然后把数据包提供给网络驱动程序。假设源主机不能在MAC表中确定目标IP地址所对应的MAC地址。那么源主机就会启动一个ARP请求过程。源主机生成一个ARP分组，并把该分组向子网内部所有设备发送，为了确保子网内所有的主机都能看见，源主机会使用一个广播形式为FFFF-FF-FF-FF-FF-的MAC地址。由于ARP请求分组广播模式发送，所以子网内的所有设备都能看到和接受这些分组信息，然后把信息交给网络层进行处理。经过处理后，如果一台主机的IP地址于ARP请求中的目标IP地址相吻合的话，该主机就会想源主机发送自己的MAC地址来响应。这个过程叫做ARP的应答。

源主机在收到回应后，因为自己的ARP表里没有目标主机的MAC地址，所以源主机会从目标主机的硬件地址字段中提取出MAC地址，然后更新。这样就可以给数据正确的指定目标MAC地址和IP地址拉。

4 代理ARP协议

上面讲述了在一个子网中ARP是怎么解析的过程，那么在不同的网络上，主机之间的通信，ARP是怎么做的呢。

在不同网络中进行通信有三种形式：第一种缺省网关，第二中是设备会监听路由器的通告。第三种是代理ARP。

代理ARP是ARP协议的一个变种，一台中间设备代表端节点想发送请求的主机发送ARP响应，运行代理ARP的路由器会捕捉到这些ARP分组，他们使用它们自己的MAC地址响应那些不在本地子网地址范围内的请求。

如果数据包的目的IP地址不在本子网内，路由器就用直接连接到主机所在网络的接口MAC地址进行应答，这就是代理ARP的工作原理。

5 ARP请求和ARP应答

ARP只是在本地网络上使用，当一台路由器不知道下一跳路由器的MAC地址时，源路由器就会发布一个ARP请求。与源路由器处于同一个网段的路由器就会接受该ARP的请求，而且这台路由器会给发布该ARP请求的源路由器给出一个应答，该应答包括了应答路由器的MAC地址。

路由器收到数据时，会剥去在封装中使用的数据链路层信息，然后将数据传送到网络层，在这一层路由器会检查目标设备的IP地址，它会把目标设备的IP地址和路由选择表中所包含的信息进行比较，如果路由器定位到了映射的目标设备IP地址和MAC地址，并且知道了连接到该网络的端口，那么它就会用新的MAC地址信息对数据进行封装，然后转发到正确的目标设备上。如果该路由器不能将最终目标设备的IP地址映射为MAC地址，它要么发送一个ARP请求，要么去定位另外一台路由器的MAC地址，然后将该数据转发到那台路由器上。如果不存在一台缺省路由器，而且没有ARP应答，那么该分组就会被丢弃。

6 路由协议和路由选择协议

在实际的应用和学习中，经常把路由协议和路由选择协议混淆，下面就先说说什么是路由协议和路由选择协议，他们的区别是什么。

1）路由协议：路由协议在网络层地址中提供足够的信息，使得一个分组能够基于该寻址方案从一台主机转发到另一台主机。它规定了分组内部字段的格式以及使用，使得分组能实现端到端的传递，网际协议（IP）就是路由协议。

2）路由选择协议：路由选择协议通过提供共享路由选择信息的机制来支持路由协议的运行。路由选择信息在路由器之间传达，路由选择协议使得路由器能与其他的路由器进行通信并更新和维护自己的路由表。路由信息协议，内部网观路由协议，增强内部网关路由协议以及开放式最短路径优先，都是路由选择协议。

简单的说路由协议就是确定要达到的路径，路由选择协议就是来选择路径的。

7 常见的路由协议

7.1 EIGRP

首先我们先了解下EIGRP的前身IGRP（内部网关路由协议），它是一种是Cisco公司20世纪80年代开发的，是一种动态的、长跨度（最大可支持255跳）的路由协议，使用度量（向量）来确定到达一个网络的最佳路由，由延时、带宽、可靠性和负载等来计算最优路由，它在同个自治系统内具有高跨度，适合复杂的网络。

随即现代化信息产业的发展和壮大，网络规模也不断扩大，这样IGRP就开始变的不能在适应这么大的网络规模，为了适应时代发展Cisco公司又开发了增强的IGRP，即EIGRP。EIGRP具有如下特点：

1）快速收敛。EIGRP使用了一个更新的算法叫散播更新算法，它的原理是这样的，这里引用了两个概念，最小开销和次最小开销，当最小开销的路径不能适应网络或者不能使用的时候，就会马上切换到次最小开销的路径上，也就是说快速收敛。这个过程是通过在路由表中备份路由而实现的。

2）触发式。在原来的RIP和IGRP协议中，为了保证路由表的随时更新和网络通畅，他们会间隔一定的时间就进行一次路由信息的交换，这样大大浪费的带宽，做了无用功。EIGRP只是当网络中路由状态发生了变化或者度量发生改变的时候才会于邻接EIGRP路由器发送路由更新。所以EIGRP要比IP和IGRP节省了很多带宽。

3）增量更新。EIGRP使用了增量更新，也就是说当路由进行更新时，它只给需要知道它变更的路由器发送状态改变信息，所以节省了更多的路由器CPU。

7.2 OSPF

OSPF（开放式最短路径优先）协议是一种为IP网络开发的内部网关路由选择协议，由IETF开发并推荐使用。OSPF协议由三个子协议组成：Hello协议、交换协议和扩散协议。

OSPF协议具有以下优点：OSPF将整个网络表现在自己的连通状态数据库中，这样做不能很麻烦的重复计算最小开销和次最小开销，大大的减低了收敛的时间。OSPF在大型异构网络中的表现也为非凡的，它的出现让异构网络可以通过一种协议，从而进行数据交换。而且使用OSPF在这样的大型异构网络中不会出现错误的路由信息。当我们有多条路径去往相同的目的主机的时候OSPT也是可以支持和提供服务的。OSPT区别不同的外部路由是通过路由标签来进行的。OSPT提供的网络路由是安全的，表现在它使用路由验证，只有双方路由起都通过了验证之后才能进行数据交换。它这种验证方式也很灵活，可以根据不同的区域来定义不同的验证方式。OSPF是一个非族类路由协议，路由信息不受跳数的限制，减少了因分级路由带来的子网分离问题。

7.3 RIP

在同一个区域内的路由器之间传送路由时，最常用的是路由选择协议（RIP）。这个内部网关协议可以计算到达目标主机的距离，使用RIP的路由器会定期的更新路由选择表，通常是每30秒一次，因此产生的网络流量会消耗很多带宽。如果在网络比较简单的情况下，RIP使用的带宽比链路状态的协议少的多，所以RIP还有有一定的价值的。

RIP使用距离向量的概念来选择发送数据的路径，当数据通过一台路由器，从而通过一个网络号的时候，就认为已经通过了一跳。一条拥有4跳的路径表明该数据为到达网络上的最终目标主机，必须要经过4台路由器才能到达。

如果有若干个路径可以达到目标主机，使用RIP的路由器会选择从源主机到目标主机跳数最少的路径。但是由于RIP只考虑使用跳数在少的来选择最佳路径，所以不能保证被选择的路径是最快的。其他的路由协议会使用包括跳数在内的很多计算值来确定最佳路径的。但是RIP仍然很流行，并应用广泛。因为RIP是最早研究出来的路由协议之一，这就意味着对它的理解比较深刻，而且它比链路状态路由选择协议要更简单。

使用RIP协议有一个很严重的问题，就是目的地由于距离太远而没有办法到达，因为RIP要求一条路径最多有15跳，如果目的地超过了15个网络路由器的挑，那么就认为不可到达。

8 结论

本问通过介绍网络层中的ARP协议，路由协议，路由选择协议，以及对比了几种常见的路由协议。来说明了在网络学习中，对于协议的掌握是很重要的，更重要的是一些基础和概念。在众多的协议中不能混淆。

[1]雷震甲.网络工程师教程[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2]陈应明.计算机网络与应用[M].冶金工业出版社，2005.

[3]谢希仁.计算机网络（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2001.

[4]林全新，周围.计算机网络工程[M].人民邮电出版社，2003.

[5]张恒杰，曹隽.计算机网络工程[M].大连理工大学出版社，2006.