计算机网络：网络层 - IP数据报的转发

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：

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

第一步：先检测目的主机与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：

cpp 复制代码

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R1，R1的转发表如下：

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128.1.1.132与128.1.2.64/26进行前缀匹配，/26的子网掩码为255.255.255.192，进行计算：

cpp 复制代码

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

结果128.1.1.128与128.1.2.64/26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：

cpp 复制代码

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

结果128.1.1.128与1288.1.1.128/26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：

cpp 复制代码

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，将目的地址与子网掩码进行按位与：

cpp 复制代码

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，将目的地址与子网掩码进行按位与：

cpp 复制代码

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的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：

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：

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
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
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
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和子网掩码。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：特定主机路由和默认路由

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：

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。