1、 本科毕业论文 (科研训练、毕业设计 ) 题 目： 基于三层交换 ASIC 的 IPv4 单播路由的分析与实现 姓 名： 学 院：软件学院 专 业：软件工程 年 级： 学 号： 指导教师（校内）： 职称： 指导教师（校外）： 职称： 年 月厦门大学本科毕业 论文 第 1 页 共 36 页 基于三层交换 ASIC 的 IPv4 单播路由的分析与实现 【摘要】 随着 Internet 的发展，局域网和广域网技术得到了广泛的推广和应用。数据交换技术从简单的电路交换发展到二层交换，从二层交换又逐渐发展到今天较 成熟的三层交换，以致发展到将来的高层交换。 本文将对三层交换中对 IPv4 单 播 路由的实
2、现进行深入分析。首先 ， 介绍了互联网协议，包括互联网协议地址分类，无类域间路由；其次 ， 介绍了三层交换机的功能、特点以及工作原理； 第三， 介绍了 IPv4 单播路由在三层交换机中的实现过程；最后分析了三层交换机的发展。 【关键字】 IPv4 路由 LPM 三层交换 机 厦门大学本科毕业 论文 第 2 页 共 36 页 Analysis and implementation of IPv4 Unicast Route Based on Layer 3 switch 【 Abstract】 With the development of Internet, LAN and WAN techn
3、ology has been widely promoted and applied. Data-switched technology from the simple circuit-switched to the Layer 2 switched, from the Layer 2 switched to the Layer 3 switched gradually with more mature technology recently, has led to the higher layer switched technology. The implementation of IPv4
4、 Unicast routing in the Layer switch will be analysed. Firstly, the Internet Protocol will be introduced, including the classification of Internet Protocol address, and the Classless Inter-Domain Routing; secondly, the functions, features and elements of the Layer 3 switch will also be introduced; t
5、hirdly, IPv4 Unicast Routing based on the Layer 3 switch will be introduced too; finally, the development of the Layer 3 switch has been discussed. 【 Keyword】 IPv4 route LPM Layer 3 switch 厦门大学本科毕业 论文 第 3 页 共 36 页 目录 引言 . 7 第一章 互联网协议 . 8 1.1 介绍 . 8 1.2 总揽 . 8 1.3 IP 报文头部格式 . 9 1.4 IP 地址分类 . 10 1.5 无
6、类域间路由（ CIDR） . 11 第二章 三层交换机 . 13 2.1 什么是路由 . 13 2.2 什么是三层交换机 . 13 2.3 三层交换机与路由器的区别 . 14 2.4 IP 报文转发 . 16 第三章 IPv4 单播路由 . 18 3.1 概述 . 18 3.2 触发 IPv4 单播路由（ Triggering IPv4 Unicast Routing） . 18 3.3 IPv4 单播路由报文转发过程（ IPv4 Unicast Routing Packet Walkthrough） . 20 3.4 IPv4 路由前异常检验（ IPv4 Pre-Routing Except
7、ion Checking） . 22 3.5 最长前缀匹配查找（ Longest Prefix Match (LPM) lookup） . 23 3.5.1 LPM Trie 树查找算法 . 23 3.5.2 Trie 树 . 23 3.5.3 异常处理 . 24 3.6 访问路由表（ Accessing the Route Entry） . 24 3.6.1 Regular Route Entry. 24 3.6.2 Equal/Weighted Cost Mutipath Route Entry Block. 25 3.7 IPv4 单播路由表（ IPv4 Unicast Route En
8、try） . 25 3.7.1 IPv4 单播路由表的结构 . 25 3.7.2 下一跳信息 . 25 3.7.3 总体控制信息 . 26 3.7.4 CoS 信息 . 26 3.7.5 管理信息 . 27 3.7.6 隧道终止信 息 . 27 3.8 后续路由异常检验（ Post-Routing Exception Checking） . 27 3.8.1 IPv4 报文头部可选项 . 28 3.8.2 接收到的 IPv4 报文头部 TTL = 0. 28 3.8.3 接收到的 IPv4 报文头部 TTL = 1. 28 3.8.4 MTU 溢出 . 28 3.8.5 异常处理 . 28 3
9、.9 MIB 计数器（ MIB Counters） . 29 3.10 IPv4 路由单播转发结果（ IPv4 Router Unicast Forwarding Decision）. 30 厦门大学本科毕业 论文 第 4 页 共 36 页 3.10.1 路由到下一跳 . 30 3.10.2 与 CPU 通信 . 30 3.10.3 黑洞路由 . 30 3.10.4 抄送 Ingress Analyzer 端口 . 30 第四章 三层交换机的发展 . 31 致谢语 . 32 参考文献 . 33 附录 . 35 厦门大学本科毕业 论文 第 5 页 共 36 页 Contents Forword.
10、 7 Chapter 1 Internet Protocol. 8 1.1 Introduction. 8 1.2 Overview. 8 1.3 Internet Header Format. 9 1.4 Classification of IP Address. 10 1.5 Classless Inter-Domain Routing（ CIDR） . 11 Cahper 2 Layer 3 Switch. 13 2.1 What Is Routing. 13 2.2 What Is Layer 3 Switch. 13 2.3 Defferences between Layer 3 S
11、witch and Router. 14 2.4 IP Packet Forwording. 16 Chaper 3 IPv4 Unicast Routing. 18 3.1 Introduction. 18 3.2 Triggering IPv4 Unicast Routing. 18 3.3 IPv4 Unicast Routing Packet Walkthrough. 20 3.4 IPv4 Pre-Routing Exception Checking. 22 3.5 Longest Prefix Match (LPM) lookup. 23 3.5.1 LPM Trie Lookup
12、 Arithmetic. 23 3.5.2 Trie. 23 3.5.3 Exception Resolution. 24 3.6 Accessing the Route Entry. 24 3.6.1 Regular Route Entry. 24 3.6.2 Equal/Weighted Cost Mutipath Route Entry Block. 25 3.7 IPv4 Unicast Route Entry. 25 3.7.1 IPv4 Unicast Route Entry Structure. 25 3.7.2 Next Hop Information. 25 3.7.3 Ge
13、neral Control Information. 26 3.7.4 CoS Informaiton. 26 3.7.5 Management Information. 27 3.7.6 IPv4 Tunnel Termination Information. 27 3.8 Post-Routing Exception Checking. 27 3.8.1 IPv4 Options Header. 28 3.8.2 Incoming IPv4 Header TTL = 0. 28 3.8.3 Incoming IPv4 Header TTL = 1. 28 3.8.4 MTU Exceede
14、d. 28 3.8.5 Exception Resolution. 28 3.9 MIB Counters. 29 3.10 IPv4 Router Unicast Forwarding Decision. 30 3.10.1 Routing to the Next-Hop. 30 3.10.2 Traffic to the CPU. 30 厦门大学本科毕业 论文 第 6 页 共 36 页 3.10.3 Black Hole Dropping. 30 3.10.4 Mirroring to Ingress Analyzer Port. 30 Chapter 4 Development of L
15、ayer 3 Switch. 31 Acknowledgement. 32 References. 33 Supplement. 35 厦门大学本科毕业 论文 第 7 页 共 36 页 引言 二层交换技术从最早的网桥发展到 VLAN（虚拟局域网），在局域网建设和改造中得到了广泛的应用。第二层交换技术工作在 OSI 七层网络模型中的第二层，即数据链路层。它按照所接收到数据包的目的 MAC 地址来进行转发，对于网络层或者高层协议来说是透明的。它不处理网络层的 IP 地址，不处理高层协议的诸如 TCP、 UDP 的端口地址，更不可能识别来自应用层的协议，它只需要知道数据包的物理地址即 MAC 地址，
16、数据交换是靠纯硬件来实现的，其速度相当快，从10mb、 100mb、到如今的 1000mb 或更高，其发展相当迅速，这是二层交换的一个显优点。但是，它不能处理不同 IP 子网之间的数据交换。传统的路由器可以处理大量的跨越 IP 子网的数据包，但是它的转发效率远远比二层要低的多，因此要想利用二层转发效率高这一优点，又要处理三层的 IP 数据包，三层交换技术就诞生了。 三层交换技术与传统的路由技术不同，传统的路由技术是通过一定的路由算法来选择到达各个子网的最佳路径，实现路由选择和网络互连；而三层交换技术是利用 L3层中的 IP 数据包的包头信息来加强 L2 层交换，以期解决路由技术中转发效率较低的
17、技术瓶颈。三层交换技术在现在的网络建设和改造中起着越来越重要的作用，逐渐从局域网 LAN 进军到了广域网 WAN。 近来三层交换技术越来越受到企业用户的关注，应用也越广泛，如公司和校园的网络全是具有三层功能的交换网络，交换机是三层交换机。可见，三层交换技术被广泛 应用于各大企业、校园等场所的网络架构当中。 厦门大学本科毕业 论文 第 8 页 共 36 页 第一章 互联 网 协议 1.1 介绍 互联网 协议是为了在 报文 交换计算机通讯网络的互联系统中使用而设计的。互联网 协议提供从发起者到目的地的块数据 （数据报）的传输，发起者和目的地都是由固定长度的地址标识的主机 。如果需要， 互联网 协议
18、也提供长数据报的分片和重组 ，以通过小传输量的 网络传输大数据报。 互联网 协议仅限于提供在互联网络系统上从发起者到目的地投递一个Internet 数据报所需的功能。不提供增强端到端的可靠性，流程控制，排序，和其它主机到主机协议上常有的服务。 互联网 协议可以 支持网络提供不同类型和不同质量的服务 。 互联网协议提供两个基本功能，即寻址和分片。 在网络环境中，该协议被视作主机到主机之间的协议，它通过调用本地网络协议来实现传输 Internet 数据报到下一网关或者目的主机。 1.2 总揽 图 1-1 揭示 了 互联网 协议在协议层次中的 位置 互联网协议接口上层是高级别的主机之间的协议，下层则
19、是局域网络协议。在这里局域网络可以是一栋大楼里的一个小网络，也可以是 像 ARPANET 这样的大厦门大学本科毕业 论文 第 9 页 共 36 页 网络。 互联网 协议的功能和目的是通过一个互联的网络传输数据报。这是通过从一个 Internet 模块到另外一个 Internet 模块传递数据报直到目的地址来实现 。Internet 模块位于主机上或者 Internet 系统上的网关。数据报通过基于一个Internet 地址的解析从一个 Internet 模块选路到另一个 Internet 模块。因此，互联网 协议的一个重要功能就是 Internet 寻址。 在从一个 Internet 模块到另
20、外一个 Internet 模块的信息寻址中，数据报 文可能需要在一个最大 报文 大小小于数据报大小的网络上传输。为了客服这个困难，在 互联网 协议中提供了分片机制。 1.3 IP 报文头 部 格式 图 1-2 IP 报文头部格式 Version： 4 位 用于区别协议的版本，对于 IPv4，这里是 4，对于 IPv6，这里就是 6。 IHL： 4位 全称是 Internet Header Length，用于记录 IP 报文头 部 的长度，最小是5（如图），因为 Options 域可 有 可无，所以 需要 IHL 确定报文头 部 的实际长度。 Type of Service： 8位 简称 TOS，用于控制报文的服务质量。 Total Length： 16位 用于记录 IP 报文的总的字节数，包含报文头 部 和报文数据。 Identification： 16 位
