IP路由交换技术白皮书┝综述 (2)1、背景 (2)2、目标 (2)3、适用范围 (2)4、其他 (2)┝详细分析 (3)1．三层交换过程概述 (3)1.1 软件转发过程描述 (3)1.2 IP报文转发算法： (4)1.3 硬件转发过程描述 (8)2．三层交换软件平台 (9)2.1 模块功能描述： (10)2.2 模块接口描述： (11)3．对路由软件的其他要求 (12)3．1 网络接口要求 (12)3．2对路由功能的控制要求 (13)3．3地址合法性检查 (14)3．4对广播多播的要求 (15)┝替代、相似技术对比分析 (15)对比技术1 (15)对比技术2 (16)结论 (17)参考文献 (17)┝综述1、背景随着在过去短短几年中，Internet迅猛发展，发生了巨大的变化：网络上的服务器的数量大大增加、共享介质型网络纷纷被交换型网络所替代、“任意到任意”的数据流打破了传统的工作组子网流量模式，所有这一切变化使得子网内部的数据流量与网络间的数据流量的比例发生了质的改变，即从原来的8:2变为2:8。
这种变化对原来用于网络分段的传统路由器产生了直接的冲击。
由于有如此之多的流量跨越IP子网，使得路由器成为了网络传输的瓶颈。
提高路由器的硬件性能(采用更高速CPU，更大容量的内存)并不足以解决问题的本质。
因为路由器对任何数据包都要有一个“拆打”过程，即使是同一源地址向同一目的地址发出的所有数据包，也要重复相同的过程，该过程通过软件来实现，而且路由器提供的“复杂的处理与强大的功能”也主要是通过软件来实现的，这导致路由器不可能具有很高的吞吐量。
三层交换技术的出现，解决了局域网中网段划分之后，网段中子网必须依赖路由器进行管理的局面，解决了传统路由器低速、复杂所造成的网络瓶颈问题。
三层交换技术，也被称做多层交换或是IP路由交换技术，是相对于传统的交换概念而提出的。
传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。
简单地说，多层交换技术就是：第二层交换技术＋第三层转发技术。
当然，三层交换技术并不是网络交换机与路由器的简单堆叠，而是二者的有机结合，形成一个集成的、完整的解决方案。
目前，市场上最高档路由器的最大处理能力为每秒100万个包，而三层交换机的最大处理能力则在每秒4000万个包以上，二者相差40倍。
2、目标本文的目的是讨论第三层IP交换机实现的原理、要求和软件平台。
3、适用范围以以太网为第二层技术，IP为第三层技术的骨干网络设备或作为汇接设备。
4、其他无┝详细分析1．三层交换过程概述三层交换技术的原理是：即对同样目的IP的第一个报文，采用与软件路由器同样的IP 寻径转发技术，通过查询转发信息库（FIB，也即通常所说的路由表），来确定IP包的下一跳IP地址和转发的目的网络接口，将报文转发出去。
同时，软件将转发到对应目的IP所需的信息设置到硬件上相应的转发CACHE（可以视为硬件路由表）中。
这些信息包括：目的IP/MASK、下一跳IP地址、转发时填写的源MAC地址（即输出网络接口的MAC地址）、目的MAC地址和目的端口。
此后，当三层交换机接收到同样目的IP的报文，就不再将此报文交给软件转发，而是直接根据硬件CACHE中相应信息进行交换。
1.1软件转发过程描述假设如下图的网络拓扑：假设PC1是子网subnet_1中的一台主机，PC2是subnet_2中的一台主机。
PC1与PC2之间的路由、通讯过程如下：●pc1在选路时选中If1作为它发送报文往pc2的下一跳，那么pc1将发送ARP请求报文，以获得If1的硬件地址。
●If1在收到这个ARP请求报文后，将它送往CPU的管理软件。
管理软件中的ARP模块确认这个ARP报文是从该If1所属的端口上收到的。
通过确认后，ARP模块从If1接口往pc1发送ARP应答报文。
●Pc1在得到If1接口的硬件地址后，正式发送报文：目的IP=pc2。
●Inf1接收到这个报文，被传送到路由单元，路由单元找不到通往pc2的“捷径”便把报文送到CPU上。
CPU先确认这个报文是从If1所属的端口上收到的。
确认之后，路由模块根据路由表进行选路，决定该报文应发往网络接口if2。
If2请求ARP模块朝IF2所有成员端口发送ARP请求报文，以获得PC2的硬件地址及其所在的端口号。
●有了足够的路由信息，报文就被正确的转发向pc2 ，同时，●这个路由信息将会被保存在三层交换转发表中，这样，以后到pc2的报文便能通过“捷径”直接被转发到正确的端口上，而不用再通过软件路由。
此后对IP包转发的工作就交给硬件去做，硬件负责转发的所有工作，如IP头的校验、对IP选项的处理等，。
●注：该过程是单向的，从pc2→pc1的报文也要经CPU路由一次，然后直接通过“捷径”进行转发。
路由软件的结构为：1.2IP报文转发算法：转发是三层交换机的核心内容，第一次转发由软件完成，在第一次转发完成时，相关的路径信息被记录到三层交换转发表中，此后该目的地址报文便从“捷径”转发。
以下讨论IP单址包的转发步骤：1、从L2接收IP包和相关信息；2、验证IP头，注意不要重组IP包；3、处理多数IP选项（除了必须在寻径完成后才能处理的选项），由于三层交换方案的限制，现在一般不对带选项IP包进行处理，而是直接丢弃；4、检查包的目的IP地址，判断是否应该继续处理此包，有三种情况：·包是发给路由器自身的，则进入本地IP接收队列，如需要做重组；·包不是发给自身的，则进入IP转发队列；·包需要转发，但同时又要复制一份拷贝给本地接收队列（如收到广播或多播报文）；5、根据目的IP和路由表确定下一跳地址和输出的网络接口；6、检查包过滤规则和ACLs，判断是否转发；（在三次交换机中，这一步在软件寻径之前，应该由硬件进行过滤，不符合ACL的报文不会被trap到CPU进行处理，因而可以忽略）。
7、削减并检查TTL；8、处理第三步未处理的选项；9、进行必要的分片（该项功能对依赖于具体的硬件。
在已研究的GALNET 485X0芯片和BROADCOM 5615硬件并不支持分片）；10、对下一跳IP作ARP解析；11、将IP封装入L2发送给下一跳；12、如有必要，发送ICMP重定向信息；这里“5、根据目的IP和路由表确定下一跳地址和输出的网络接口”是IP转发的核心问题，在此先进行讨论，而其他各步骤的注意事项，则在后续章节中继续讨论。
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 转发算法：根据目的IP和路由表确定下一跳地址和输出的网络接口，即路由表（转发信息库FIB）匹配问题。
在匹配时，应遵循如下顺序：1、确定目的IP地址：当IP报文中包含有源路由选项时，选路的目的地址是源路由中指定的下一目的地址，而不是报文的目的IP地址。
因为目前三层交换机硬件几乎都不能处理IP选项，出于效率考虑，一般丢弃带选项的IP报文。
所以本步骤不是选路算法考虑的重点；2、本地/非本地路由判断：选路的第一步需要判断待转发报文是否发往本三层交换机一个网络接口直接连接的网络（直接路由）。
若是直接路由，则无需判定下一跳IP地址，直接将报文转发往目的网络接口。
判断的标准如下：（1）对于没有IP地址的网络接口（即unnumbered lines），如果待转发报文的目的IP 与此线路另一端的ROUTER ID严格相等，则此报文发往本地路由。
若以太网三层交换机不支持点对点的unnumbered lines，则无需考虑这一步；（2）从每个网络接口的IP地址与子网掩码算出各网络接口连接网络的网络号，从待转发报文以同样的掩码取出目的IP网络号，将两者进行比较，若相等，则认为此报文发往一个本地路由；（3）若以上两步没有得出结果，则进行IP路由表选路，选出下一跳。
3、确定下一跳IP地址：通过搜寻路由表，对待转发报文的目的IP进行匹配，以确定下一跳的IP。
匹配规则如下：（1）最长匹配：将路由表中各路由表项的网络号与待转发报文目的IP进行比较，裁剪掉不匹配的。
在匹配的路由表项中，保留掩码最长的一个或多个路由表项；（2）Weak TOS：将较路由表项的TOS和待转发报文的TOS进行比较，匹配出TOS 严格相等的表项。
若无TOS严格相等的表项，则匹配出TOS等于0的路由表项；（3）Best Metric：在最长匹配完成后，仍然得到多条路由表项时，比较各个路由表项的metric值，选择最小的作为匹配结果。
Metric是一个整型值，用来衡量该路由表项的优先权，数值越低，则优先权越高。
该值经常被一些路由协议使用，用以权衡选择一条路由表项。
这个值在CISCO系统中表现为administrativedistance，它可以针对不同的路由选择协议生成的路由表项进行设置；（4）厂商自定义策略：允许厂商自定义一些路由选择策略来优化选路方案。
如在路由表项中增加一个厂商优化字段，通过设置该字段值的高低来选定路由表项。
但使用这种厂商自定义策略是不安全的，因为标准的路由协议无法获得这方面的信息，从而可能在选路时造成环路；4、负载平衡当经过以上匹配算法后，仍然可能得到多于一条的匹配表项。
此时可以（May）运用负载平衡算法，以确定报文的下一跳。
5、如果若按此寻径策略完成后，无可用路由，则：（1）废弃IP包（2）发ICMP错误报文包括ICMP Destination Host Unreachable/ Destination Net Unreachable。
报文转发其他步骤的要求：---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 检验IP头的操作步骤：1、L2传来的L2数据段长度必须大于IP最小长度（20字节）2、IP校验和必须正确3、IP版本号必须为44、IP头长度字段值必须至少20字节（5 words）5、IP包总长度字段必须大等于IP头长度字段6、应该（SHOULD）比较L2数据段长度和IP包总长字段，检测该包是否被截断7、若包的目的IP不是路由器IP网络接口之一的IP，应该（SHOULD）检查包是否包含严格源路由和记录路由（Record Route）选项，不得（MUST NOT）设立选项屏蔽以上检验（对于三层交换我们还必须验证该帧是否是从该网络接口所属的VLAN中送上来的）对不符合以上条件，即出现错误的帧的处理要求：1、若通过了以上2、3项而未通过4、5项检验，可以(MAY)发送ICMP Parameter Problem,指针指向出错的长度字段。
