440.4-4 IP 数据报的发送和转发过程

本节课我们介绍 IP 数据报的发送和转发过程。

IP 数据报的发送和转发过程包含以下两部分，一部分是主机发送 IP 数据报，另一部分是路由器转发 IP 数据报。

需要说明的是为了将重点放在 TCP 协议站的网际层，发送和转发 IP 数据报的过程上，在本节课的举例中，我们将忽略使用 ARP 协议来获取目的主机或路由器接口的 MAC 地址的过程，以及以太网交换机自学习和转发帧的过程。下面我们就来举例说明，IP 数据报的发送和转发过程。

在下图所示的小型互联网中，路由器的接口 0 直连了 1 个交换式以太网，接口 1 也直连了一个交换式以太网，我们给该网络分配了这样的网络地址和子网掩码，给网络中的各主机和路由器的接口，配置了相应的 IP 地址和子网掩码。如图所示，
我们给另一个网络分配了这样的网络地址和子网掩码，给网络中的各主机和路由器的接口，配置了相应的 IP 地址和子网掩码，如图所示：

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我们知道从一个网络中的主机之间可以直接通信，这属于直接交付。不同网络中的主机之间的通信，需要通过路由器来中转，这属于间接交付。

那么源主机如何判断出目的主机是否与自己在同一个网络中？我们来举例说明，假设主机 C 要给主机 F 发送 IP 数据报，主机 C 将自己的 IP 地址和子网掩码相与，就可以得到主机 C 所在网络的网络地址。

既然主机 C 要给主机 F 发送 IP 数据报，主机 C 肯定知道主机 F 的 IP 地址，否则就没法发送了。主机 C 将主机 F 的 IP 地址与自己的子网掩码相遇，就可得到目的网络地址，

该地址与主机 C 的网络地址不相等，因此主机 C 就知道了主机 F 与自己不在同一个网络，他们之间的通信属于间接交付，主机 C 需要将 IP 数据报传输给路由器，由路由器将 IP 数据报转发给主机 F。

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那么主机 C 又是如何知道应该把 IP 数据报交给哪个路由器进行转发，实际上用户为了让本网络中的主机能和其他网络中的主机进行通信，就要必须给其指定本网络中的一个路由器，由该路由器帮忙进行转发，所指定的路由器也被称为默认网关。

对于本例我们可以将路由器接口 0 的 IP 地址指定给该接口所直连网络中的各个主机作为默认网关。

同理可将路由器接口 1 的 IP 地址指定给该接口所直连网络中的各个主机作为默认网关，这样当本网络中的主机要和其他网络中的主机进行通信时，会将 IP 数据报传输给默认网关，由默认网关帮主机将 IP 数据报转发出去。

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假设本例中的主机 A 要给主机 D 发送 IP 数据报，这属于间接交付，主机 A 会将该 IP 数据报传输给自己的默认网关，也就是图中所示的路由器。那么当路由器收到 IP 数据报后，又是如何转发的呢？路由器首先会检查 IP 数据报的首部是否出错，若出错则丢弃该 IP 数据报，并通告源主机，若没有出错则进行转发。

路由器根据 IP 数据报首部中的目的地址，在自己的路由表中查找匹配的路由条目，若找到匹配的路由条目，则转发给路由条目中指示的下一跳，若找不到则丢弃该 IP 数据报，并通告源主机。

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为了简单起见，我们假设本地中的 IP 数据报首部没有出现差错，路由器取出 IP 数据报首部各地址字段的值，源地址字段的值为主机 A 的 IP 地址，目的地址字段的值为主机 D 的 IP 地址，接下来路由器就要对该 IP 数据报进行查表转发了，这是路由器的路由表。

当我们给路由器的接口配置 IP 地址和子网掩码时，路由器就知道了自己的该接口与哪个网络是直连的。例如在本例中接口 0 所直连的网络是 192.168.0.0，相应的地址源码为 255.255.255.128，不需要下一跳路由器，因为接口 0 与该网络是直连的，接口 1 所直连的网络是 192.168.0.128，相应的地址源码为 255.255.255.128，不需要下一跳路由器，因为接口 1 与该网络是直连的，

需要说明的是路由表中可能还会有其他路由条目，这可以是用户或网络管理员手工配置的静态路由，也可以是路由器使用路由协议自动获取到的动态路由。我们将在后续课程中详细介绍这部分内容，本节课就不再赘述了。

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接下来路由器根据 IP 数据报的目的地址，在自己的路由表中查找匹配的路由条目，逐条检查路由条目，将目的地址与路由条目中的地址掩码相与得到目的网络地址，该目的网络地址与路由条目中的目的网络地址不相同，则这条路有条目不匹配。

再检查下一条路由条目，将目的地址与下一条路由条目中的地址源码相遇，得到目的网络地址，该目的网络地址与路由条目中的目的网络地址相同，则这条路由条目就是匹配的路由条目，按照他的下一跳指示，也就是从接口 1 转发该 IP 数据报，这样主机 D 就可以收到路由器转发来的该 IP 数据报。

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需要说明的是我们这里所介绍的路由器查表转发 IP 数据报的过程，只是为了让同学们理解其最基本的工作原理，在路由器的实际研发过程中，需要设计很好的数据结构，以便提高查找速度。

再来看这种情况，假设主机 A 给本网络上的各设备发送了一个广播 IP 数据报，在数据报首部中的目的地址字段，可以填写的目的地址为 192.168.0.127，这是本网络的广播地址，也可以填写 255.255.255.255，这是受限的广播地址。该网络中的各设备都会收到该广播 IP 数据报，但是路由器收到后并不会转发该数据报，也就是说路由器是隔离广播域的，这是很有必要的。

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试想一下，如果因特网中数量巨大的路由器，收到广播 IP 数据报后都进行转发，则会造成巨大的广播风暴，严重浪费因特网资源。同理，主机 A 给另一个网络发送广播 IP 数据报，在数据报首部中的目的地址字段，填写的目的地址为 192.168.0.255，这是网络 192.168.0.128 的广播地址。主机 A 将该广播 IP 数据报传输给路由器，希望由路由器帮其转发，但路由器判断出这是广播 IP 数据报，不会转发。

接下来我们来做几个相关的练习题，这是计算机专业考研全国统考，计算机网络部分 2010 年的题 38，答案是选项 D。

中继器和集线器工作在物理层，既不隔离冲突域，也不隔离广播域。

网桥和交换机工作在数据链路层可以隔离冲突域，不能隔离广播域。

路由器工作在网络层即隔离冲突域，也隔离广播域。

因此本题的答案是选项 D。

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再来看 2012 年的题 37，答案是选项 C。

IP 路由器工作在 TCPIP 体系结构的网际层，TCPIP 体系结构的网际层，并不负责可靠传输，也就是不能确保传输的 IP 分组不丢失。

IP 路由器对收到的 IP 分组头进行差错校验，当发现错误时会丢弃该 IP 分组，并向原主机发送 ICMP 差错报告报文。

综上所述，题目中的描述三是错误的，利用排除法可知选项 C 正确，题目中的其他描述项都是正确的。

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再来看 2015 年的题 47 的第三问，我们将题目所给的主机一的配置信息标注在它的旁边，从子、网掩码和主机一的 IP 地址的 CIDR 表示方法都可以看出网络前缀为 24 个比特，而 3W 服务器的 IP 地址的网络前缀也是 24 个比特，并且与主机一的网络前缀相同，因此主机一可以访问 3W 服务器，因为从 IP 地址配置以及物理连接方面看，主机 1 和 WWW 服务器在统一网络中。

但是主机一不能访问 INTERNET，因为他的默认网关错误的配置成了 DHCP 服务器的 IP 地址。DHCP 服务器不具备路由器的功能，无法将 IP 分组转发到 INTERNET。如图所示主机 1 的默认网关，错误的指定为了 DHCP 服务器的 IP 地址，正确的配置应该指定为路由器该接口的 IP 地址。

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将本节课的内容小结如下：

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