深入浅出IP路由选择过程

郭巍　丛晓光

【摘要】互联网技术的发展对从事智能建筑的技术人员提出了更高的要求，掌握计算机网络技术刻不容缓。本文以本地和远程网络为例深入探讨了IP路由选择过程。

【关键词】路由选择IP协议；ARP；ICMP；智能建筑

1、前言

据中国互联网络信息中心统计，截至2014年6月，我国的网民规模达6.32亿，互联网普及率为46.9%。近年来随着互联网络的迅猛发展，计算机网络渗透到了人们生活的方方面面。同样在智能建筑领域，终端设备正在加速向IP化方向发展，至今绝大部分常规类智能化子系统均实现了IP网络化架构。

互联网技术的发展对从事智能建筑的技术人员提出了更高的要求，掌握计算机网络系统的安装与调试技术刻不容缓。鉴于IP路由选择过程是学习计算机网络的重要基础内容，本文从较深层次上对其进行了探讨，以期能达到抛砖引玉的作用。

2、本地网络的通信过程

设图1中的各个Host主机在上电前均已按图所示设置好IP及网关地址，在Host_A上执行ping 192.168.1.3命令后与Host_B的通信过程如下：

1）在Host_A主机上ICMP生成一个回应请求，如图5所示TYPE填入0x8。

2）ICMP使用了IP协议，将该请求交给IP，后者将ICMP请求封装在如图2所示的分组中，该分组源IP地址（SRC IP）192.168.1.2、目的IP地址（DES IP）为192.168.1.3，协议PRO填入0x1代表该分组的有效负载为ICMP。

3）创建分组后IP判断出这是一本地请求，在LAN内Host_A与Host_B通过MAC地址便可直接通信。

4）接下来检查主机ARP缓存，查看Host_B的IP地址192.168.1.3是否已经被解析为硬件地址。

如果未被解析为硬件地址，应先把IP地址解析为硬件地址，这时Host_A将生成一个ARP请求包，如图4所示，PROTOCOL TYPE 填入0x800代表上议为IP协议，OPCODE填入0x1代表为ARP请求包，SOURCE MAC填入0001.C947.D592，SOURCE IP填入192.168.1.2，TARGET MAC填入0000.0000.0000.0000，TARGET IP填入192.168.1.3。该ARP请求包交给数据链路层后被封装在图3所示的帧中，DEST MAC填入FFFF.FFFF.FFFF.FFFF，SOURCE MAC填入0001.C947.D592，该帧从Host_A经Fa 0/1端口发送到SW1中，SW1交换机提取帧中的SRC MAC填入自身的CAM/MAC转发过滤表缓存中，SW1交换机提取帧中的DEST MAC后发现为二层广播地址，SW1交换机将該帧发送到所有端口，Host_B收到该帧后，提取ARP包中的TARGET IP 192.168.1.3与自身IP地址比较，地址相同则Host_B对改ARP请求做出反应，HOST_B生成一个ARP应答包，如图4所示，PROTOCOL TYPE填入0x800，OPCODE填入0x2代表为ARP响应包，SOURCE MAC填入0002.4A8A.BD56，SOURCE IP填入192.168.1.3，TARGET MAC填入0001.C947.D592，TARGET IP填入192.168.1.2。该ARP请求包交给数据链路层后被封装在图3所示的帧中，DEST MAC填入0001.C947.D592，SOURCE MAC填入0001.C947.D592，该帧从Host_B经Fa 0/2端口发送到SW1中，SW1交换机提取帧中的SRC MAC填入自身的CAM/MAC转发过滤表缓存中，SW1交换机查询自身CAM/MAC转发过滤表缓存后将该帧发给HOST_A，HOST_A提取帧中ARP包信息，将之存于ARP缓存中，ARP解析过程完成。

如果已被解析为硬件地址，封装有ICMP请求的分组将交给数据链路层后被封装在图3所示的帧中，SRC MAC填入0001.C947.D592，DEST MAC填入0002.4A8A.BD56，TYPE填入0x800，帧从Host_A经Fa 0/1端口发送到SW1中，SW1交换机提取帧中的SRC MAC填入自身的CAM/MAC转发过滤表缓存中（Fa 0/1端口对应0001.C947.D592），SW1交换机提取帧中的DEST MAC后查看对应端口为Fa 0/2，SW1交换机将该帧转发到Fa 0/2端口。

5）HOST_B从Fa 0/2端口收到该帧后，更新自身ARP缓存，查看帧中的TYPE字段后，提取帧中的分组交给网络层IP协议，IP协议检查分组的PRO字段，因PRO字段值为0x1，IP协议将有效负载交给ICMP协议。

6）HOST_B上的ICMP判断这个分组是ICMP的回应应答后，生成一个回应请求，如图5所示TYPE填入0x0。

7）IP协议将ICMP回应请求封装在如图2所示的分组中，该分组源IP地址192.168.1.3、目的IP地址为192.168.1.2，协议PRO填入0x1。

8）封装有ICMP请求的分组将交给数据链路层后被封装在图3所示的帧中，SRC MAC填入0002.4A8A.BD56，DEST MAC填入0001.C947.D592，该帧经SW1交换机转发给HOST_A，HOST_A提取ICMP包内容后，本次本地网络通信完成。

3、远程网络通信过程

设图1中路由器Fa 0/0端口的IP地址为192.168.1.1/24，MAC地址为00E0.B05D.10B3；路由器Fa 1/0端口的IP地址为192.168.2.1/24，MAC地址为0060.47D1.E5DD。在HOST_A执行ping 192.168.2.2命令后与HOST_C的通信过程如下：

1）在Host_A主机上ICMP生成一个回应请求，如图5所示TYPE填入0x8。

2）该ICMP请求封装在如图2所示的分组中，该分组源IP地址192.168.1.2、目的IP地址为192.168.2.2，协议PRO填入0x1代表该分组的有效负载为ICMP。

3）创建分组后IP判断出这是一远程请求，因此必须将该分组发送到默认网关，以便它能够被路由到远程网络。对windows注册表进行分析知默认网关为192.168.1.1。

4）封装有ICMP请求的分组交给数据链路层后被封装在如图3所示的帧中，SRC MAC填入0001.C947.D592，DEST MAC填入经ARP解析到的网关MAC地址00E0.B05D.10B3。

5）该帧从HOST_A开始，经SW1交换机从路由器的F 0/0端口进入路由器内部，过程参见本地网络通信过程。

6）路由器从该帧中提取封装有ICMP包的分组，IP接收该分组并检查其目标地址（DST IP），如果在路由选择表中找到了前往目标地址192.168.2.2的路由，路由器将该分组交换到指定的出站端口缓存内，这里是Fa 1/0端口。

7）该分组在路由器的出站端口Fa 0/1重新被封装成如图3所示的帧中，SRC MAC填入0060.47D1.E5DD，DEST MAC填入经ARP解析到的HOST_C的MAC地址0001.C793.1B2C，TYPE填入0x800。

8）该经重新封装的帧通过SW2交换机转发给HOST_C主机。

9）从帧中的提取分组交给IP协议，IP协议检查PRO字段后把有效负载交给ICMP协议。

10）ICMP判断这个分组是ICMP回应应答后，生成一个回应请求，如图5所示TYPE填入0x0。

11）该ICMP请求封装在如图2所示的分组中，该分组源IP地址192.168.2.2、目的IP地址为192.168.1.2。

12）創建分组后IP判断出这是一远程请求，因此必须将该分组发送到默认网关192.168.2.1，封装有ICMP请求的分组交给数据链路层后被封装在如图3所示的帧中，SRC MAC填入0001.C793.1B2C，DEST MAC填入经ARP解析到的网关MAC地址0060.47D1.E5DD。

13）该帧从HOST_C开始，经SW2交换机从路由器的F 1/0端口进入路由器内部，过程参见本地网络通信过程。

14）路由器从该帧中提取封装有ICMP包的分组，IP接收该分组并检查其目标地址（DST IP），在路由选择表中找到了前往目标地址192.168.1.2的路由后，路由器将该分组交换到指定的出站端口缓存内，这里是Fa 0/0端口。

15）该分组在路由器的出站端口Fa 0/0重新被封装成如图3所示的帧中，SRC MAC填入00E0.B05D.10B3，DEST MAC填入经ARP解析到的HOST_A的MAC地址0001.C947.D592，TYPE填入0x800。

16）该经重新封装的帧通过SW2交换机转发给HOST_A主机。

17）从帧中的提取分组交给IP协议，IP协议检查PRO字段后把有效负载交给ICMP协议。

18）ICMP判断这个分组为回应应答后，本次远程网络通信过程完成。

4、结束语

以上IP路由选择过程理解两点很重要。MAC地址是数据链路层物理地址，该地址只能用于LAN内部通信，而不能用于穿越路由器进行通信；传统交换机为二层设备，相当于数据链路层“路由器”，根据MAC地址对帧进行转发。路由器为三层设备，根据IP地址进行转发，帧经过路由器后帧的源地址和目的地址均发生了变化，但封装在帧中分组的IP源地址和目的地址没有发生变化。

参考文献

[1]《中国互联网发展状况统计报告》（2014年7月）中国互联网信息中心.

[2]《CCNA学习指南》Todd Lammle著袁国忠译.

[3]《PacketTracer6 Tutorials》.