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网络路由和地址转换算i 焱研究 巾文摘簧 网络路由和地址转换算法研究 中文摘要 计算机网络性能是衡量计算机网络运行状态的各项指标的综合。计算机网络因 其发展的高速度和各自为政的研究体制，以及兼容性等诸多闷题，出现了一些和总体 发展趋势及未来需求不太和谐的技术，造成了网络性能效率低和不稳定。 本文通过对地址分配的不合理性、协议数据的冗余度及a r p 广播问题的分析， 提出若干优化网络性能的策略。主要内容及结果如下： ( 1 ) 研究了计算机网络整体性能优化的着眼点，总结归纳了计算机网络性能 可以进行优化的几个方面； ( 2 )深入分析了计算机网络体系结构中网络层现有工作方式的不足，提出了 有针对性| ；冬优化方法和策略一王p 地址分配地理相关性和位置驱动路毒算法，论证 了这种方法的可行性，并通过仿真实验证明了该算法的路由效率远高于传统路壹算 法； ( 3 ) 通过合理缩减帧数据的冗余度提高链路层效率，简单分析了当前数据链 路层数据冗余度过高的问题，并给出了解决办法； ( 4 ) 分析了降低链路层效率的主要因素是a r p 技术的使用，以及由于这一技 术的使用带来的其它问题；提出了利用交换机探寻算法获取转发表，从丽取消a r p 技术的使用，从根本上解决链路层效率和a r p 欺骗等问题。 最后，本文对所做的研究工作做了总结，并对今后网络性能优化方法的研究进 行了展望。 关键词：网络性能、地理楣关性、位置驱动路盘算法、交换枧探询算法。 作者：王新风 指导老师：邓伟 a b s 奸a c t r e s e a r c h o n a l g o r i t h m s o f r o u t i n g & a d d r e s s t r a n s l a t i n g o f c o m p u t e r n e t w o r k r e s e a r c ho na l g o r i t h m so fr o u t i n g & a d d r e s s t r a n s l a t i n go f c o m p u t e rn e t w o r k a b s t r a c t t h ec o m p u t e rn e t w o r kp e r f o r m a n c ei st h es y n t h e s i st h a tj u d g e st h ec o m p u t e rn e t w o r k r u n n i n gs t a t u se a c ha s s e s s m e n tc r i t e r i a b e c a u s et h ec o m p u t e rn e t w o r kd e v e l o p sh i 曲 v e l o c i t ya n dd o e st h i n g si nm e 蠢o w nw a yr e s e a r c hs y s t e m ，a sw e l la sc o m p a t i b l eq u e s t i o n s a n d8 0o n ，s o m eu n c o o r d i n a t e dt e c h n o l o g i e sw i t ht h ew h o l ed e v e l o p i n gt r e n da n df u r o r e r e q u i r e m e n ta p p e a r , w h i c hh a v ec r e a t e dt h en e t w o r kp e r f o r m a n c el o we f f i c i e n c ya n d i n s t a b i l i t y t h ep a p e ra n a l y z e st h eu n r e a s o n a b l ea d d r e s sa s s i g n i n g , t h er e d u n d a n c yo f p r o t o c o ld a t aa n da r pb r o a d c a s t i n gp r o b l e m s ，a n dp r o p o s e ss o m es t r a t e g i e st oo p t i m i z e n e t w o r kp e r f o r m a n c e t h ep r i m a r yc o n t e n ta n dt h er e s u l ta l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) h a ss t u d i e dt h eo b j e c t i v ep o i n tw h i c ht h ec o m p u t e rn e t w o r ko v e r a l lp e r f o r m a n c e o p t i m i z e s ，s u m m a r i z e ds e v e r a la s p e c t st h a tc o m p u t e rn e t w o r kp e r f o r m a n c em a yc a l t yo n t h eo p t i m i z a t i o n ； ( 动h a sd e e p l ya n a l y z e dt h ed i s a d v a n t a g eo fw o r k i n gi nn e t w o r kl a y e ri na r c h i t e c t u r e o fc o m p u t e rn e t w o r ks 笋t e m ，p r o p o s e dt a r g e t - o r i e n t e dm e t h o d sa n ds t r a t e g i e so f o p t i m i z a t i o n - - g e o g r a p h yr e l a t i v i t yo fi pa d d r e s sa s s i g n i n ga n dd i r e c t i o n w d r i v e nr o u t i n g a l g o r i t h m ，t h ef e a s i b i l i t yo fm e a n si sa r g u e d ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tp r o v e st h i s a l g o r i t h mf o rr o u t i n ge f f i c i e n c yi sh i g h e rt h a nt r a d i t i o n a lr o u t i n ga l g o r i t h m ； ( 3 ) t h ee f f i c i e n c yo fd a t al i n kl a y e ri si m p r o v e dt h r o u g hs u i t a b l ec u r t a i l i n g r e d u n d a n c yo ff r a m ed a t a ，t h ep r o b l e mo fh i g h e rd a t ar e d u n d a n c yi s s i m p l ya n a l y z e di n c u r r e n td a t al i n kl a y e r , a n dt h es o l v i n gm e a ni sa d v a n c e d ； ( 4 ) h a sa n a l y z e dt h em a i nf a c t o ro fr e d u c i n gt h ee f f i c i e n c yo fd a t al i n kl a y e ri su s i n g a r pt e c h n o l o g y , a n do t h e rp r o b l e m so w i n gt ou s i n gt h et e c h n o l o g y ；a n dp r o p o s e du s i n g s w i t c h e rd e t e c t i n ga l g o r i t h mt og e t s w i t c h i n gt a b l e , t h e r e f o r e , c a n 。c i a n c e lu s i n ga i p t e c h n o l o g y , a n ds o l v e d t h ee f f i c i e n c yo fd a t al i n k l a y e ra n da r pc h e a t i n gp r o b l e m t h o r o u g i l l ya n ds oo n 殛 f i n a l l y , t h ea u t h o r s u m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r k , a n df o r e c a s t st h ef u t u r e d e v e l o p m e n t si no p t i m i z a t i o no fn e t w o r kp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：n e t w o r kp e r f o r m a n c e ，g e o g r a p h yr e l a t i v i t y , d i r e c t i o n - d r i v e nr o u t i n g a l g o r i t h m ，s w i t c h e rd e t e c t i n ga l g o r i t h m 。 耀 w r i t t e n b y ：w a n gx i n f e n g s u p e r v i s e db y ：d e n gw e i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本入郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明弓f 用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含药获得苏州大学 或其它教育枫构的学位证书两使用过的材料。对本文的研究佟出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标嗡。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：丝垒 e t期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、匿家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阕，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名：酲期： 网络路由和地址转换算法研究第1 章绪论 第1 章绪言 1 1 网络的发展和网络性能的研究历程 。1 。 网络的历史变迁和网络层定位 计算机网络这项庞大的工程真正的开始时间是1 9 6 2 ：年，不过那时只是进行了一 些讨论和筹划工作。至予i n t e r n e t 可以说没有明确的发展历史，但我们可以认定1 9 6 4 年出炉的包交换技术是其理论基石。当时身处不同地方的三个人b a r a n 、k l e i n r o c k 、 d a v i e s 几乎在同一时闻段里，在互相完全不知底细的情况下竟然褥出完全相同的研 究结论，这就是我们今天称为“包交换技术”( p a c k e t s w i t c h i n g ) 和“存储转发 ( s t o r ea n df o r w a r d ) 的工作原理。三人提出的网络原理简直如出一辙。不仅基本 的理论框架完全一样，甚至连数据被分成的每个“块的大小，以及数据传送的速度 也被设计得一模一样。有别于此前“中央控制式网络 的网络模型，他们提出的网络 模型是“分布式网络器( d i s t r i b u t e dn e t w o r k s ) 。这一重要理论的提出给网络的发 展指费了方向，也使计算机嬲络进入了实际威用的研究阶段。 1 9 7 0 年1 2 月，s 。c r o c k e r 在加州大学洛杉矾分校领导的网络工作小组( n w g ) 制 定出“网络控制协议 ( n c p ) 。他也正是在此一年前写出第一个具有历史意义的“征 求意见与建议”( r f c ) 的人。最初，网络控制协议还只是作为体育馆交换程序的。 部分来设计的，可是他们很快就意识到如把这个协议独立出来更好。 在同一个时期，d a h n 开发了局部使用的“网络控制协议，由于该协议是局部 使用，就不必考虑不同电脑之阅、不同操作系统之间的兼容性阗题。很快它成了网络 发展的催化剂，网络的层次化结构也有了些眉曩。网络是可以分层开发的，不同层次 的开发者只要考虑接口正确性，层次自身的内部工作完全可以自成体系。 1 9 7 3 年，a r p a n e t 首次实现国际化，为以后的：i n t e r n e t 的发展提供了一定技术 支持。而哈佛大学的b o bm e t c a l f e 也在他的博士论文中首次提出了以太网的概念，以 太网技术是一种将成千上万的p c 连接成网络的技术，这在当时是一种全新的概念。 同时k a h n 提进了建立i n t e r n e t 的问题，并开始在a r p a n e t 进行霹络互连的研究，并 请热衷子电脑工作的v i n t o nc e r f 与他共同考虑网络通讯协议的各个细节。v i n t o n 第1 章绪论潮络路由和地址转换算法研究 c e r f 此时在斯坦福大学的实验室里完成了对t c p i p 协议的初始设计工作。由于理念 和设备的限制，人们此时提出了a r p 广播的应用，这在当时对网络的发展起到了相当 的促进作用，也给后期嬲络技术的演进留下了隐患。直到今天，局域网麴发展为了兼 容等目的，也一直没有摆脱广播的束缚。 1 9 7 6 年，加州大学伯克利分校的b s du n i x 最先实现了t c p i p ，使i n t e r n e t 和 u n i x 紧密结合在一起。网络技术层面和结构层面的实施方案渐露端倪。 1 9 7 9 年5 月，美国威斯康星和其它六所大学以及a r p a 美国国家科学基金会( n s f ) 计划建立个连接各学校计算机系的计算机科研网络，称为c s n e t 。由于c s 网络用 的是毖阿帕网络慢一些的连接设备，整个系统要省钱褥多。该计划历经波折，在1 9 8 6 年才全部建立起来，但是它开启了网络大众化的大门。 1 9 8 2 年是i n t e r n e t 历史上的转折点。当时的阿帕网络准备正式转换成t c p i p 系统，虽然这一转换到1 9 8 3 华才最终完成，但当今i 怒t e r n e t 基石t c p i p 协议栈却 在这一过程中定型。 1 9 8 4 年，i n t e r n e t 上正式引入域名服务器( d o m a i nn a m es e r v e r ，d n s ) ，提供 我们如今已经很熟悉的域名系统如。n e t ，c o m , 。g o v 等。这进一步提赢了网络的易用 性。这一年的另大事件是c i s c o 公司的诞生。这是一家专门生产路由器，交换机等 网络通信工具的公司，它对网络发展的促进是有目共睹的。专业的设备，专业的闻题 解决方法，使网络的标准化、规范化工律都上了一个台阶。 1 9 8 7 年，a n d r e wt a n e n b a u m 推出一种类似u n i x 的系统m i n i x 。简单网关监视协 议( s g m p ) 得以发布，不仅如此，还催生了一个崭新的操作系统l i n u x 。 1 9 9 0 年蒂姆伯纳斯利( t i mb e r n e r s l e e ) 创建了餮瓣计划，并开发了相关技术 标准，这些技术和标准正是现在i n t e r n e t 上最常用的技术。然而其最大的贡献不是 技术标准，而是大大推动了网络的商业化进程。 1 9 9 7 年又在业界零| 出另一个e x t r a n e t ，虚拟专用网。只开放给特定的对象使用， 它延续了i n t e r n e t 的各项功能将其优越性扩展至企业之间，从而为应用i n t e r n e t 发展电子商务提供了信息交换的平台。 进入九十年代，计算机技术、通信技术以及建立在计算规和网络技术基础上的计 算机网络技术褥到了迅猛的发展。特别是1 9 9 3 年美国宣布建立国家信息基础设施 ( n 1 1 ) 后，全世界许多国家纷纷制定和建立本国的n i l ，从而极大地推动了计算机 2 网络路由和地址转换算法研究第l 意绪论 网络技术的发展，使计算机网络进入了一个崭新的阶段。目前，全球以美国为核心的 高速计算机互联网络郎i n t e r n e t 已经形成，i n t e r n e t 已经成为人类最重要的、最大 的知识宝库。褥美国政癃又分别于1 9 9 6 年和1 9 9 7 年开始研究发展更加快速可靠的互 联网2 ( i n t e r n e t2 ) 和下一代互联网( n e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ，黼至) 。可以 说，网络互联和高速计算机网络正成为最新一代的计算机网络的发展方向。 ：综上所述，虽然推动i n t e r n e t 发展的因素众多，但每一次飞跃的实现，网络协 议的改进和完善、网络基础设施的重大改进对网络性能的提高无不起着举足轻重的决 定性作用。毕竟所有的服务都得经e l j 通信子网传递它们的各个分包，而长距离的数据 传输更是依赖良好的网络层性能。 l 。l 。2 网络的发展阶段及不同阶段的网络性能 由于计算机技术的进步，微机及工作站从8 0 年代初开始占据了主导位置，自其 面世以来飞速发展，处理速度、存储容量及各种功能都已超过了当年的大型机，再加 上众多软件公司专业研制的系统软件和应用软件，完成复杂的任务已并非难事。因此， 通过局域网( l o c a la r e an e t w o r k ，l k n ) 把单个计算机连接起来，并籍此提高微机的 工作效率就成为一个崭新的发展点。因此几乎所有的单位都将其内部的计算机连接成 一个或多个局域网，再将各局域网通过单位的主干互连形成内部网，并最终与 i n t e r n e t 相连。这一阶段总线型结构的以太网得到了较为广泛的应用，地址解析协 议a r p 的引入也起到了重要的作用，局域网研究取得了很大的进展，鉴于当时的技术 条件，人们完全无暇顾及网络性能的问题。 在嬲络发展的整个过程中，人们一直坚持将计算机网络的资源子网与通信子瓣 分开研究，分开建设。这种结构上的划分使网络的数据处理与数据透信有了清鳜的功 能界面。通信子网可以是专用的，也可以是公用的，这就使得不同的层次，不同的需 求有了不同的选择。对于公用通信网络，也叫远程通信线路组建的远程计算机网络， 或称为广域网( w i d ea r e an e t w o r k ，w a n ) 。人们早就意识到这是一种社会公共基础 设施，7 0 年代中期世界上便出现了由国家邮电部门统一组建和管理的公用通信子网， 即公用数据圈p d n 。公用数据网技术经历了几个阶段，早期采髑模拟通信的电话透信 网，这主要是剩用电话网业已广泛普及的基础设施，从而减少投入。随着网络应用的 3 第1 章绪论网络路由鄹地址转换算法研究 不断增加，对网络带宽也提出了越来越高的要求，传统电话的模拟通信技术已经不能 满足要求，因此又引入了帧中继网络、a t m 网络以及光纤同步技术支撑的网络。传输 介质也基本上转为带宽更大、效率更高的光纤。爨翦，新型的公用数据网采用数字传 输技术和报文分组交换方法。 由于是国家机构作为建设和管理的主体，广域网的技术一致性和成熟度相当好， 忙于建设中的雕络技术人员也不可裁对网络性能提出太多的疑义，但此时网络豹主要 问题已经埋下了祸根，其中最为突出的就是i p 地址分配时的地理相关性太差；再有 就是各地区发展的不平衡造成的设备利用率差异等等。 随着广域网技术的不断提舞，局部地区计算枧连网的需求也交得愈来愈强烈了， 局域网络技术的研究也越来越受人们的重视。局域网发展的历史上，先后出现了 n e w h a l l 环网、e t h e r n e t 网和c a m b r i d g er i n g 环网，这其中尤以e t h e r n e t 网( 也 翼堪以太隧) 的研究和应用最为成功。以太网是由x e r o x 公司创建并豳x e r o x ，i n t e l 和d e c 公司联含开发的基带局域网规范。以太网络使用c s m a c d ( 载波监听多路访问 及冲突检测技术) 技术，并以l o m s 的速率运行在多种类型的电缆上。 总结以太嬲成功的特点可以归纳为：成本低、可靠性离、开放憔最好。特别是 其星型连接方式因管理方便、容易扩展而被绝大部分的局域网所采用。 以太网的工作原理是采用带冲突检测的载波帧听多路访问( c s m a c d ) 机制。 以太网中节点都可以看到在网络中发送的所有信息，因此，我们说以太网是一种广播 网络。而正是这种广播使它有一些先天劣势：效率问题、广播风暴、a r p 欺骗等等， 因此曾一度有入认为它会被诸如a t m 等其它技术所取代。然而随着交换式以太网技 术和v 队n 技术的出现和完善，它又重新夺回了优势，忙于商业竞争中的网络人此时 依然没能投放足够的精力在网络性能上。 局域网研发阶段是计算机网络发展的一个重要阶段，这一阶段所取得的成果对推 动嬲络技术的成熟和应用极其重要，它研究的网络体系结构与网络协议的理论成果为 以后网络理论的发展奠定了基础，很多网络系统经过适当修改与完善后仍在广泛使 用。但是，计算机网络发展中也出现了一定程度的危机，那就是网络体系结构与协议 标准的不统一限制了计算机蹲络自身的发展和应用。网络体系结构与蹲络协议标准必 须走国际标准化的道路。 如果说远程计算机网络扩大了信息社会中资源共享的范阐，那么局部网络则是 4 网络路由和地址转换算法研究第1 章绪论 增强了信息社会中资源共享的深度，这两者的有机结合才能满足信息化社会对网络的 需求。在局域网领域中，由于e t h e r n e t 、t o k e nb u s 、t o k e nr i n g 局域网产品的竞争 性发展，以及采用光纤传输介质的f d d i 产品在高速与主干环网应用方面起了重要性 的作用，再加上局域网操作系统与客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 应用方露取得了重要 的进展，数字通信技术已经基本进入到成熟的阶段。此时人们终于开始注意鼹络性能 的问题了；这已经到了2 0 0 0 年以后。 计算机网络的发展是一个现代社会发展的范例，它的研究是一个全球科技工作 者通力合作的过程，充满着不同思维理念的碰撞，同时也可以看到计算机网络存在着 许多不协调，其中比较明显的有i p 地址和其它资源分配不当；各地区发展不平衡； 技术很多，标准和霹的不一致等，显得有些混乱。当然这是任何一项技术在发展过程 中不可避免的问题，如何梳理好是保证其健康稳定发展的重要前提。 计算机网络自研究伊始就被分成了资源予网和通信子网，其裳见的拓扑结构如 图1 - 1 所示。其中资源予网是计算机网络中面向用户的部分，负责全网络面向应用的数 据处理工作；通信子网( c o m m u n i c a t i o ns u b n e t ，或简称子网) 是由用作信息交换的结点 计算机和通信线路组成的独立的通信系统，它承担全网的数据传输、转接、加工和交 换等通信处理工作。也就是说用户缀织好数据后数据传输工俸只能由透信子瘸具体完 成。按照网络理论，通信子网又分成鼹络层、数据链路层和物理层，。网络层是通信予 网的最离层，它的性能优劣直接决定了网络通信的速度和质量警! 由于本文是研究网络 性能的，所以，讨论的重点也主要集中在网络层和数据链路威 图1 - 1 网络结构的一般模型 5 第1 毒绪论 嬲络路由和地址转换算法研究 l l 。2 网络性畿的相关研究 计算枕网络网络性能是一系列对予运营商有意义的，用予系统设计、配置、操 作和维护的参数进行测量所得到酌结果。隧终性能与终璇性缝以及露户的操作无关， 是网络本身特性的体现，它可由一系列性能参数来测量和描述秘“霹蹭。 飘络性链的研究鞠网络技术的研究可以认为是同步展开的，因为研究网络技术 的每一个阶段和环节无不是势了获得更好熬网络性能，但是真正舞始定量地分析霹络 性能，给出相应的衡量指标，并用数学建模或实验的方式对这些指标进行数据采集和 分类统计则是2 o 年以后。 2 0 0 2 年，i e t f 斡b m w g ( b e n c h m a r k i n gm e t h o d o l o g y 工作组) 开始着手子i n t e r n e t 网络性能测试及指标体系的标准化工作，出台了i p p m ( i pp r o v i d e rm e t r i c s ) 的一系列 相关文档，其晷标是隽i n t e r n e t 的不阉组成部分提供性能评价的基础，并最终形成了 口连接性、单向时延、圆环延迟、丢包率酾p 色时延变化五个确定觞衡量指标 4 1 ， 随着这些指标的出台，近两年网络性能测评工作开始越来越受人们的重视。下面从网 络体系结构酶二、三两层进程讨论。 在阏络层，研究发现溺络路毒技术首先是把连透性作先核心任务鲶，即考虑掇 据实际情况( 如拓扑结构改变、网络发生故障等) 维持网络的通畅，所以对熊非常细 微的地方也考虑得特别周到，魏有效路径的选择，瓶颈效应的最小化等，但并未充分 考虑瞬络性能优纯等阍题，实现效率选不尽人意礴。 再从网络应用的诸多技术来看，当今的主流p 2 p 系统中大多节点表现渤来的是 自私的行为，霖非集体协作行为，遂直接影响了整个网络的可靠性与稳定性姻翻嗍。 另终还有一些安全迥题，如恶意节点可以怒查找请求递交绘错误节点或不存在的节点 达到攻击瞄的，或通过给其它节点发送错误的路内修改信息使路由状态不一致，进而 造成节点递交查询给错误的节点或不存在的节点例。 路爨协议要求可靠泛洪凇，这不仅增擞了大量麓网络流量，也黔稿关的鼹终呼 叫协议提嬲了很高的要求。进步分析，每个节点贾献的存储空间和路由表的容量都 是有限的，随羞参与节点的增趣势必会使本地存储空间达到饱和u ，路由表的大小和 查询效率都成了网络性能的瓶颈。 针对这些问题，网络研究者们采取了很多研究方法，在最近提出的研究方法中， 鑫 冈络路由和地址转换算法研究第1 章绪论 比较著名的有： ( 1 ) 使用基于误差反向传播( b a c kp r o p a g a t i o n ，b p ) 算法进行网络评估溯。 盘于它可跣实现输入和输出盼任意非线性映射，这使得它在网络评佶方 法中有独到之处。 ： ( 2 ) 层次模型分析方法锄。其主要理念是无论网络系统大小和复杂程度如何， 其子系统的规模、每个子系统( 网段) 的作用和重要性、所承担的数据交 换流量及负载程度都不相同n 羽。 ( 3 ) 此外还有基于用户感知的分析方法、基于专家系统多堍e n t 的方法n 哦“3 等等。 比较著名的理论和技术有： ( 1 ) 三层幂律层次模型和“b e s tu p 的收敛模式n 毗删j 能够精细地分柝 出不同层次、不同事件条件下的收敛参数。 ( 2 ) 采用随机p e t r i 网进行性能评价等等m m 引。 ( 3 ) 近来又有人提出了i p 交换技术，i p 交换网不仅瓦以构筑l a n 的高速主干 网，而且在连接乙感与并矧的高速i p 主干网中，也发挥着积极作用由于采 用切入传送方式，不产生像路宙器中所弓| 起妻冬节点延迟，霹实现最高逡 5 3 m p i x s ( 包秒) 的传送。 这些方法和技术对网络性能的测试和评价做了一定程度的探讨，也给出了网络 性能有待提高的结论，但对于如何提高网络性能涉及不多，应该说是一种遗憾。 在数据链路层，研究最多的还是a r p 协议及其带来的相关问题。较为一致的结 论是剩用a r p 协议漏漏攻击是以太网内攻击的主要方法，也是很多其它攻击手段的前 提条件n 孵。虽然也提出了一些解决方案，但都未能从根本上解决闻遂。 1 3 主要研究内容及研究思路 本文在大量阗读了p 承载网络【2 0 】f 2 1 3 的隧终性能蕊分析文章感，自己对这种网络 的网络性能进行了一定层面的独立研究，主要的研究内容有： ( 1 ) i p 承载网络的网络现状和问题分析； ( 2 ) 在分析传统m 地址分配方案不足的基础上，进行新的i p 分配方案的探索， 7 第1 章绪论刚络路由翔地址转换算法研究 使之合理化； ( 3 ) 针对新的p 分配方案设计更加高效的路由算法，进而减少路由检索中的开 销，提高路南转发的效率； ( 4 ) 近年来，随着网络设备和物理介质性能的不断提高，信道误码率已经降到 了很低的量级，因此可以考虑减少数据链路层帧数据的冗余度，提高链路 层转发效率； ( 5 ) 局域网中的广播是一个由来已久的技术，但它带来的问题也是最多的，应 该采取适当的手段限制网络中广播的数量，这会使局域网的性能产生一次 飞跃。 基于以上内容，本文主要采用了下面的研究思路： 由于网络中( 特别是广域网) 大量的转发时延都消耗在路由表的检索上，因此 本文大部分精力都用在缩减路由表项上，茧理论分耩到计算规模拟实现，分别展开研 究工作。首先分析了路由表过于复杂的原因，然后在此基础上分别从婵地址分配和 路嘲算法两方面着手进行构思和设计，接着用实验的手段加以验证，反复实验，反复 改进，最螽，建立数学模型给蹬定量的数学分橱，得出结论。 1 4 主要研究成果 通过对网络层和数据链路层工作原理和数据流程的细致分析，本文对两个结构层 的协议进行了深入的研究，找搬了影响网络性能的多项因素，并通过论证秘验证给出 了相应的解决办法。 本文的主要研究成果有： ( 1 ) 提出了蓊的糟地址分配方案； ( 2 ) 在新礤地址分配方案的基础上，设计了适合的转发路由算法位置驱动 路由算法； ( 3 ) 讨论了传统协议中数据趸余度过大的闻题，定性地分析了减少冗余数据的 方法和可行性： ( 4 ) 对a r p 的作用和弊端进行了全面的剖析，得出了这一技术应该是网络发展 历程孛的过渡技术的结论。 8 网络路由和地址转换算法研究 第1 鬻绪论 ( 5 ) 通过深入研究和多方论证，找到了在局域网中限制和取清触强广播的可 行性实施方案。 i p 承载网络是当今计算机网络技术中的绝对主流，由于发展速度快，一个个新 成就让研究者和使用者都不可能去骧足思考业已成型的各项瓣络技术对网络性能的 负面影响。通过本文的研究，对现行主流的网络技术中的不和谐因素进行了分析、研 究和改进，不仅在具体问题上从技术层面提出了解决办法，而且可以启发研究者从体 系结构的嵩度去着力解决p 承载阚的相关网络性能闯题，无论在理论方法和实际应 用中都具有一定的实用性和推广价值。 9 第2 章p 承载网络存在的勰题及现钳解决办法网络路由和地址转换算法研究 第2 章ip 承载网络存在的问题及现行解决办法 尽管网络技术已经发展的比较成熟，并在社会、经济、技术等各个方面发挥越来 越大的作用，但是，从技术的和应用两个方面考虑，现在网络层存在一些问题是不容 回避的事实，为了分析这些问题，先要仔细分析与之密切相关的三个方面：结构、协 议和其它。 2 。1 影响网络性能的结构因素 2 1 1ip 地址分配很不合理 众所周知，m 承载网的网络数据传输是以口地址为依据的。通俗地讲就是数据 传列何处，通过什么样的路径传送都是由网络层设备( 路由器、三层交换机) 解析数 据包中撑地址艨决定的。因此，如果p 地址部署工终中的地理相关性很强，爱| j 可以 采用方向、位置驱动的路由结构而非普通平面状的路由结构，从而缩小网络层设备中 路由表的数量，提高检索和转发速度。 在网络应用的初期，由于对p 地址的需求量认识不清，许多国家和地区球地址 的分配都明显不够。后期随着各种应用的增加，不得不再次申请p 地址，但由于相 邻的p 地址域已经被其它国家或地区申请并拥有，所获得的i p 地址自然也就无法保 证连续性，因露出现了很多国家和地区的辨地址相互交叉。这就造成了璎地址段和 地理位置没有直接关系，如一个日本所属的i p 地址段，其前面紧邻的地址段可能是 荷兰的，而紧邻其后的某一段又可能是印度的。这就造成了传送每一个网络数据，都 必须在处理设备中有去往该网络的路由表顼，否则不能正确地进行数据转发。 以下是i p v 4 协议部分i p 地址的分配归属，从表2 1 中可以清楚地看出其分配的 地理不相关性。 表2 1 部分国家和地区的l p 地址( 理v 4 ) 序号地址范豳归属地说明 2 0 2 。0 3 6 0 0 0 。0 0 0 、2 0 2 0 3 7 。2 5 5 2 5 5新西些 2 0 2 0 3 2 0 0 0 0 0 0 “2 0 2 0 3 5 2 5 5 2 5 5r 本 2 0 2 。0 3 0 。0 0 0 。0 0 0 2 0 2 0 31 。2 5 5 。2 5 5韩圈 2 0 2 0 2 8 0 0 0 0 0 0 2 0 2 0 2 9 2 5 5 2 5 5泰困 l o 网络路由和地址转换算法研究第2 章i p 承载网络稃在的问题及现行解决办法 ( 续表2 - 1 ) 2 0 2 ，0 2 7 1 2 8 0 0 0 “2 0 2 。0 2 7 。2 5 5 2 5 5新西兰 和嗣本有交叉 2 0 2 0 2 7 0 6 4 0 0 0 2 0 2 0 2 7 1 2 7 2 5 5新西兰 2 0 2 。0 2 7 0 3 2 0 0 0 2 0 2 0 2 7 0 6 3 2 5 5新西兰 2 0 2 。0 2 7 。0 16 0 0 0 “2 0 2 。0 2 7 0 31 。2 5 5薪加坡 2 0 2 0 2 7 。0 0 0 0 0 0 2 0 2 。0 2 7 。0 1 5 。2 5 5薪西兰 2 0 2 0 2 6 0 0 0 0 0 0 2 0 2 0 2 6 2 5 5 2 5 5 日本 2 0 2 0 2 4 0 0 0 0 0 0 、2 0 2 0 2 5 2 5 5 2 5 5 f j 本 2 0 2 。0 2 3 。0 0 0 0 0 0 、2 0 2 0 2 3 2 5 5 。2 5 5 熙本 2 0 2 0 2 2 。1 2 8 0 0 0 “2 0 2 。0 2 2 1 5 9 2 5 5薪喀里多尾亚 2 0 2 。0 2 2 0 6 4 0 0 0 “2 0 2 0 2 2 1 2 7 2 5 5f | 本 2 0 2 0 2 2 0 1 6 0 0 0 “2 0 2 0 2 2 0 3 1 2 5 5新两兰 2 0 2 0 2 2 0 0 8 0 0 0 2 0 2 0 2 2 015 2 5 5泰困 2 0 2 。0 2 2 。0 0 0 。0 0 0 2 0 2 。0 2 2 0 0 7 2 5 5新两兰 2 0 2 。0 2 1 1 9 2 0 0 0 “2 0 2 0 2 1 2 5 5 2 5 5新加坡 2 0 2 0 2 1 。1 5 6 0 0 0 2 0 2 0 2 1 15 7 2 5 5新两兰 2 0 2 0 2 1 1 5 5 0 0 0 2 0 2 0 2 1 1 5 5 。2 5 5额西兰 2 0 2 0 2 1 。1 5 4 0 0 0 2 0 2 。0 2 1 1 5 4 2 5 5新加坡 2 0 2 0 2 1 1 5 2 。0 0 0 2 0 2 0 2 1 15 3 2 5 5嗣本 2 0 2 0 2 1 1 5 0 。0 0 0 “2 0 2 。0 2 1 1 5 1 。2 5 5日本 2 0 2 0 2 1 1 4 9 0 0 0 2 0 2 0 2 1 1 4 9 2 5 5泰国剩多国交叉 2 0 2 0 2 1 1 4 8 。0 0 0 2 0 2 0 2 1 1 4 8 。2 5 5马来落聂 2 0 2 0 2 1 t 4 7 。0 0 0 “2 0 2 。0 2 t 1 4 7 。2 5 5印度 2 0 2 0 2 1 1 4 6 0 0 0 “2 0 2 。0 2 1 1 4 6 2 5 5新加坡交叉严重 2 0 2 0 2 1 1 4 5 0 0 0 、2 0 2 0 2 1 1 4 5 2 5 5新加坡 2 0 2 0 2 t 1 4 4 0 0 0 、2 0 2 0 2 1 1 4 4 2 5 5泰国 交叉严重 2 0 2 0 2 1 1 4 2 ，0 0 0 、2 0 2 0 2 1 1 4 3 。2 5 5薪西兰 交叉严重 2 0 2 0 2 1 1 4 1 0 0 0 “2 0 2 0 2 1 1 4 1 2 5 5新西濑 2 0 2 0 2 1 1 4 0 0 0 0 2 0 2 0 2 1 1 4 0 2 5 5泰国 交叉严重 2 0 2 0 2 1 1 3 8 0 0 0 2 0 2 0 2 1 t 3 9 2 5 5新西竖 交叉严重 2 0 2 0 2 1 。1 3 4 0 0 0 、2 0 2 0 2 1 。1 3 5 2 5 5泰国 交叉严重 2 0 2 0 2 1 1 3 2 0 0 0 2 0 2 0 2 1 1 3 3 。2 5 5薪两警 交叉严重 2 0 2 0 2 1 1 3 0 0 0 0 “2 0 2 0 2 1 1 3 1 2 5 5新碡兰 2 0 2 0 2 1 1 2 8 0 0 0 、2 0 2 0 2 1 1 2 8 2 5 5香港 2 0 2 0 2 1 11 2 ，0 0 0 2 0 2 。0 2 1 1 2 7 2 5 5嗣本 交叉严重 2 0 2 0 2 1 0 9 6 0 0 0 “2 0 2 。0 2 1 。1 1 1 2 5 5薪两撼 2 0 2 0 2 1 0 6 4 0 0 0 “2 0 2 0 2 1 0 9 5 2 5 5新两兰交叉严重 2 0 2 0 2 1 。0 3 2 0 0 0 2 0 2 0 2 1 0 6 3 2 5 5新两憋 2 0 2 0 2 1 。0 1 6 0 0 0 2 0 2 。0 2 1 。0 3 1 2 5 5紊；诬兰 2 0 2 。0 2 1 0 0 8 。0 0 0 2 0 2 0 2 1 。0 1 5 。2 5 5澳大剥露 2 0 2 0 2 1 0 0 0 0 0 0 2 0 2 0 2 1 0 0 7 2 5 5韩酗交叉严重 第2 章m 承载网络存在的问题及现行孵决办法网络路由翔地址转换算法研究 ( 续表2 - 1 ) 2 0 2 0 2 0 。1 2 8 。0 0 0 “2 0 2 。0 2 0 2 5 5 。2 5 5韩圜 2 0 2 0 2 0 12 6 0 0 0 2 0 2 0 2 0 】2 7 2 5 5香港交叉严熏 2 0 2 0 2 0 12 5 0 0 0 12 0 2 0 2 0 12 5 。2 5 5香港 2 0 2 0 2 0 12 4 0 0 0 2 0 2 0 2 0 12 4 2 5 5f ：| 本交叉严重 2 0 2 。0 2 0 。1 2 3 0 0 0 “2 0 2 。0 2 0 1 2 3 。2 5 5f 1 本 2 0 2 。0 2 0 12 2 。0 0 0 2 0 2 0 2 0 12 2 2 5 5新两兰交叉严重 2 0 2 0 2 0 1 2 1 。0 0 0 、2 0 2 0 2 0 1 2 1 2 5 5新_ 两兰 2 0 2 0 2 0 t2 0 。0 0 0 2 0 2 0 2 0 12 0 2 5 5中豳北京地震所 2 0 2 0 2 0 11 9 0 0 0 、2 0 2 0 2 0 11 9 2 5 5韩因交叉严重 2 0 2 0 2 0 11 8 0 0 0 “2 0 2 。0 2 0 11 8 2 5 5香港交叉严重 2 0 2 。0 2 0 11 7 0 0 0 2 0 2 0 2 0 11 7 2 5 5香港 2 0 2 。0 2 0 11 6 0 0 0 2 0 2 0 2 0 。11 6 2 5 5薪加坡 交叉严重 2 0 2 0 2 0 11 4 0 0 0 2 0 2 0 2 0 1l5 2 5 5新加坡 2 0 2 。0 2 0 。1 1 3 0 0 0 “2 0 2 。0 2 0 。t i 3 。2 5 5新弱兰 2 0 2 0 2 0 11 2 0 0 0 2 0 2 0 2 0 11 2 2 5 5关岛 2 0 2 0 2 0 。1 1 1 0 0 0 、2 0 2 0 2 0 。1 1 1 2 5 5香港交叉严重 2 0 2 0 2 0 11 0 0 0 0 、2 0 2 0 2 0 11 0 2 5 5日本 交叉严熏 这种地理不相关性对计算机网络中的路由工作量的增加起到相当大的负面作用， 以图2 1 为例，取一个相对较小的范围，对地理相关的予集位置相关的影响俸简 单的分析如下： 图2 - 1 蕴置不相关的王刚遂址分配示意图 如蚕2 1 ，这里r 4 、r 5 两