因特网网络层数据报传输机制（转）

摘要：本文主要介绍网络层传输数据报的机制，目的是解释因特网网络层数据报传输机制，本文详细解释了IP数据报的组成，路由器的工作原理，IP数据报的转发流程，以及路由表的各种算法，网络层是传输数据的最高一层，向上提供简单灵活的，无连接的，尽最大努力交付的数据报服务，但是不提供服务质量的承诺。网络层解决的问题主要有将逻辑地址与物理地址的转换，寻找最佳路径。

关键词：网络层；IP；路由器；数据报；分组转发

中图分类号：A35????文件标识码:A????文章编号：1647——200903——0428-8

0 引言

?网络层是传输数据的最后一层，网络层传输的是数据报，数据链路层会将其封装成帧，网络层主要解决了网络地址和物理地址的转换，寻找最佳路径等，目前对于网络层数据报传输机制仍然没有一个清晰的研究理论，所以本文希望把因特网网络层数据报传输机制解释清楚，便于各种研究利用，本文从网络层的传输机制说起，详细解释各种机制，重点是路由选择，希望可以为各种计算机网络研究提供一个依据。

1网络层提供的两种服务

1.1 面向连接服务

有些人认为应该借鉴电信网的成功经验，让网络层负责可靠交付，当两个计算机进行通信时，应当先建立连接。这种通信方式如果再使用可靠传输的网络协议，就可以使所发送的分组无差错按序到达终点，当然也不会丢失和重复。通信结束后要释放建立的虚电路。

1.2? 无连接服务

因特网的设计思路是网络层只提供简单灵活的，无连接的，尽最大努力交付的数据报服务，网络层在分组时不需要先建立连接，每一个分组独立发送，不进行编号，所传送的组可能出错，丢失，重复和失序，当然也不可能保证分组交付的时限，但是网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够适应多种应用。

2IP地址

? ?IP地址是网络层使用的地址。

2.1 IP地址

在因特网上使用的地址是IP地址，每一台处于统一网络体系结构中的计算机需要一个唯一识别地址，这就是因特网上被称为的网络层地址，计算机网络需要实现的要求，每个连接在“网络上的网络”上的计算机必须有一个唯一的标志，网络层地址解决了这个问题，网络层地址与电话号码非常相似，它们也用十进制数表示成不同的类型，这和给不同国家的不同地区分配电话号码一样。

2.2 物理地址

网络上的每一个设备都有一个唯一的物理地址，有时被称为硬件地址或者数据链路层地址，根据不同的局域网结构，数据链路层地址结构也不同，对于网络硬件而言，地址通常被编码到网络的接口卡中。数据链路层和物理层使用的是物理地址，而网络层使用的却是网络层地址，即IP地址，二者有区别。

2.3 IP地址组织结构

IP地址是一个32位的地址，以4个字节表示，每个字节上的十进制数范围是0~255，且每个十进制数字之间用点隔开。因特网协会定义了A，B，C，D，E五种地址以适合不同容量的网络，其中A类地址前8位为网络号，后24位为主机号，B类前16位为网络号，后16位为主机号，C类前24位为网络号，后8位为主机号，D，E类为特殊地址。

因特网寻址方式为：在信息传输的中转路径中，先按IP地址的网络标示号找到相应的下个节点，直到找到目的主机所在子网，再利用主机ID在这个子网上找到相应主机。

3?IP数据报

?? ?IP数据报是网络层传输数据的基本单位。

3.1 数据报格式

? （1） 版本占4位，指IP协议的版本，通信双方使用的版本号必须一致。

?? （2） 首部长度占4位，这个字段单位是32位字，当IP分组的首部长度不是4字节的整数倍时，必需利用最后的填充字段加以填充。

（3）区分服务占8位，用来获得更好的服务，这个字段在旧标准中叫做服务类型，实际上一直没用过，只有在使用区分服务时，这个字段才起作用，一般情况下不使用这个字段。

（4） 总长度?指首部和数据之和的长度，单位为字节，当数据报长度超过网络中所允许的最大传送单元时，必须把过长的数据报进行分片，这时，数据报首部中总长度字段不是指未分片前的数据报长度。

（5） 标志? 占16位，目前只有两位有意义。

（6）片位移指出在较长的分组分片后，某片在原组中的相对位置。

（8）生存时间数据报在网络中的寿命，由发出数据报的源点设置这个字段，防止无法交付的数据报在网络中兜圈子。

（9）协议?指出此数据报携带的数据所使用何种协议，以便主机的IP层知道应将数据部分传给哪个处理过程。

（10）首部检验和?只检验数据报的首部，不包括数据部分。

（11）源地址。

（12）目的地址。

（13） 数据部分。?????????

3.2 数据报转发流程

数据报都是被封装在帧中被传输，帧中地址是通过机器上软件执行ARP地址联编而得到，是一个物理地址，在一次传输中封装只发生一次，路由器在选好下一站之后，将数据报封装在一个帧中，通过物理层转发到下一站，当帧到达下一站时，接收软件从帧中取出数据报，然后丢弃这一帧，如果数据报必须通过另一个网络转发时就会产生一个新的帧。

路由器分组转发算法如下：先从数据报的首部提出目的主机IP地址，得出其网络地址，若此网络地址就是与路由器直接相连的某个网络地址，则进行直接交付，否则就执行间接交付。间接交付中，若路由表中有此目的地址的特地主机路由，则把数据报传送给路由表中下一跳路由器，否则若路由表中有到达其网络的路由，就把数据报传送给路由表中指明的下一跳路由器，如果都没有，转发给路由表中的默认路由。默认路由会选择路由。如果都没有，则转发数据报出错。

3.3 ARP,RARP协议

IP地址和物理地址之间的映射过程叫地址解析，主机和路由器在需要向同一物理网络的另一台计算机发送数据时解析地址，一台计算机无法直接解析远程网络上的计算机地址。

3.3.1 地址解析协议（? ARP）

??为使所有计算机对用于地址解析的消息在精确格式和含义上达成一致，TCP/IP协议组含有一个地址解析协议，定义了两类基本的消息：一类是请求，另一类是应答。地址解析协议隐藏了物理寻址的细节。

3．3.2? 反向地址解析协议（RARP）

RARP协议实现MAC地址到IP地址的转换，在一台无盘工作站启动后，工作站首先以广播方式发出自己的RARP请求，RARP服务器收到这个请求后，就会根据RARP请求中提供的MAC地址为该工作站分配一个IP地址。

4 路由选择

4.1 路由器

??路由器，就是那些可以接收分组，根据数据报中的地址信息进行路由选择，并能转发分组的一种网络设备或系统，路由器的核心功能，一是路由信息的维护，二是路由选择和数据报转发。

4.2 路由协议

?根据路由器取得信息的方式分类，路由方式可分为两大类，静态路由选择和动态路由选择，路由协议，是为了实现路由策略而制定的信息交换规范。

4.2.1内部网关协议RIP

?工作原理：基于距离向量的路由选择协议，最大优点就是简单，将距离定义为从一路由器到直接网络的距离，RIP选择一条具有最少路由器的路由，哪怕还存在另一条高速低时延但路由器较多的路由。RIP仅和相邻的路由器交换信息，交换的信息是当前本路由器知道的全部信息，按固定的时间间隔交换信息。执行距离向量算法。RIP协议中好消息传得快，而坏消息传的慢。

4.2.2内部网关协议OSPF

?OSPF直接用数据报传输数据，与RIP不同的是它采用洪犯法，向所有路由器发送信息，但是只有数据链路发生变化时才使用此法发送信息，各路由器中都有全网的拓扑图，从而使用最短路径算法构造自己的路由表，更新过长收敛得快。

4.2.3外部网关协议BGP

??BGP是不同AS的路由器交换路由信息的协议，内部网关协议主要设法使数据报在一个AS中尽可能有效从源站传送到目的站，在一个AS内部不考虑其他方面的策略，但是因特网规模太大，AS之间路由选择非常困难，而且AS之间路由选择必须考虑有关策略，所以BGP只能是力求寻找一条能够到达网络的且比较好的路由，而不是最佳路由。

5 结论及展望

?所以因特网网络层就是通过分组转发数据报从而提供不可靠但简单灵活的数据报服务，从而向上层屏蔽了实际传输的物理层特性。

【参考文献】

【1】???????????? 黄燕.计算机网络教程北京：人民邮电出版社，2005

【2】???????????? 黄永锋.计算机网络教程北京：清华大学出版社，1999