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通信学论文蜂窝IP技术概述摘要本文首先介绍蜂窝IP技术的协议机制，接着详细分析其路由、切换和寻呼等关键技术，并通过性能分析，证明蜂窝IP技术能很好地利用MobileIP的全局移动性支持和蜂窝系统的移动切换等功能，支持频繁切换下的高速分组数据传输，适应下一代无线分组数据通信发展的需要。关键词蜂窝IP分组数据传输数据通信随着移动通信和Internet的迅猛发展，移动通信和Internet相互融合正逐渐成为研究开发的热点。在第三代移动通信系统中，提供高达2Mb/s的无线分组数据速率，蜂窝的范围从宏蜂窝进一步缩小到微蜂窝，甚至是微微蜂窝，对于无线接入Internet而言，要求更高效的无线分组路由机制和快速的无缝移动切换控制技术。传统的MobileIP协议只是在较大范围的蜂窝间简单地解决Internet主机移动性。本文介绍一种新的Internet移动主机协议蜂窝IP（CellularIP），它继承了MobileIP的优点，并且充分利用蜂窝移动通信系统的移动性管理功能和移动切换技术，从而支持快速运动的移动主机无线接入Internet。一、蜂窝IP协议蜂窝IP技术充分利用了蜂窝移动通信系统的移动性管理功能和连接切换控制，来实现蜂窝IP网络内部的路由和切换。蜂窝IP网络由蜂窝IP基站BS和蜂窝IP网关Gateway两大部分组成。蜂窝IP基站，作为网络的无线接入点，也集成了传统蜂窝系统的移动交换中心MSC和基站控制器BSC的功能。它建立在IP分组转发的基础上，其IP路由的功能由蜂窝IP路由和位置管理实体来完成。许多个基站组成一个蜂窝IP网络，通过蜂窝IP网关接入到Internet，蜂窝IP网关起到路由和网络互联的功能。在蜂窝IP网关之间，网络的全局移动性由MobileIP协议来支持，而在蜂窝IP网关内部，采用蜂窝移动系统的移动性管理和切换功能来支持网络的局部移动性。蜂窝IP网络内的移动主机将网关的IP地址作为它的MobileIP转交地址，当有IP数据包发往移动主机时，首先通过MobileIP协议原理，到达该主机所在网络的蜂窝IP网关，在网关处解封装，并向基站转发。在蜂窝IP网络内，移动主机的地址就是其归属地址，数据可以直接转发给移动主机。当移动主机发送数据分组时，将分组通过无线方式传输到所在的基站，然后通过hopbyhop方式路由到网关，通过该网关发送到Internet上。在蜂窝IP中，位置管理和切换支持都集成在路由功能中。基站定时发送导引信号，其中包含所在网关的IP地址，移动主机通过该导引信号进行定位，支持广域的移动性。蜂窝IP节点维护一个路由缓存，存储移动主机的IP地址和相邻的下一个节点，通过hopbyhop方式，构成一条上行链路基站到网关的路由。下行链路网关到基站也可以利用这条路由缓存链，将数据分组转发到移动主机。当主机在基站间移动时，由于上行数据分组不断更新路由缓冲，所以下行分组可以准确转发到移动主机处，很好地解决了蜂窝IP网内部的位置更新问题。在有些节点处还设置寻呼缓存，对路由缓存的起到一定弥补作用。二、关键技术1.移动主机。在蜂窝IP网络中，移动主机有两种状态激活active和空闲idle。当移动主机收到或准备发送数据分组时，它的状态从空闲转为激活，而且，只要主机在发送或接收数据分组，就一直保持激活状态。当主机经过一段时间没有收到或发送任何数据分组，激活状态超时，主机重新回到空闲状态。当移动主机从空闲转为激活状态时，它发送路由修改分组，同时启动一个定时器，初始值为路由修改时间。只要主机发送数据分组，定时器就会重新初始化为路由修改时间，这样就确保了在激活状态下，间隔时间不大于路由修改时间的数据分组都可以发送。如果发送的数据分组足够快，移动主机可以不产生路由修改分组。在空闲状态下，移动主机定时发送寻呼修改分组，间隔为寻呼修改时间。当发送数据分组时，移动主机就停止发送寻呼修改分组。当主机移动到一个新的基站或无线信道阻塞的情况下，如果主机处于激活状态，就立即发送路由修改分组，否则就立即发送寻呼修改分组，保持主机与网络的连接。2.路由。在蜂窝IP节点维护路由缓存和寻呼缓存，存储移动主机IP地址和相邻下一节点的映射表。利用该映射表，通过hopbyhop方式，构成上行路由下行路由也利用该映射表转发数据分组映射表由传输的数据分组创建和更新，因此，路由随着移动主机位置更新而自动调整，很好地解决主机移动性问题。在上行链路方向基站到网关，其路由算法为当分组到达一个节点时，节点检查分组类型，如果是数据分组，就创建或修改节点的路由缓存，然后转发到上行链路的下一节点如果是寻呼修改分组，就创建或修改节点的寻呼缓存，同样也转发到上行链路的下一节点。在下行链路方向网关到基站，其路由算法为节点首先检查路由缓存中是否有分组的目的地址，如果存在，则将分组转发到下一节点如果没有该地址的映射，则检查节点处是否有寻呼缓存，若没有寻呼缓存，就向所有下行链路的节点广播该分组如果存在寻呼缓存，且其中有该分组的目的地址，就将分组转发到对应的下一节点，否则就丢弃该分组。3．切换。蜂窝IP硬切换算法直接来源于蜂窝通信系统，当移动主机进入新的基站时，发送路由修改分组来改变路由映射表链，使其指向新的基站。这种切换造成切换完成后到达原基站的分组被丢弃，对分组丢失率等性能存在较大影响。为提高切换性能，引入新的切换机制准软切换。准软切换的具体过程为准软切换开始，移动主机向新基站发送路由修改分组，同时也侦听原基站路由修改分组在新基站创建路由缓存和寻呼缓存，当路由修改分组到达新老基站路由交汇节点时，在其路由缓存中增加新的映射，而不是替代原有的映射移动主机从原基站和新基站同时接收分组当移动主机完全进入新基站后，发送新的路由修改分组，清除路由缓存映射，仅保留到新基站的路由，这样就切换到新的基站上，完成准软切换。4.位置管理和寻呼。在蜂窝IP网络中，几个蜂窝组成一个寻呼域，每个寻呼域有唯一的寻呼域标识号。基站在定时发送的导引信号中传送寻呼域标识号，使移动主机通过导引信号获得所在寻呼域的标识号。因此，空闲状态移动主机不需要在蜂窝边界发送位置修改分组，就可以支持广域上的漫游。当空闲状态主机在寻呼域内移动时，仅在寻呼修改时间超时后发送寻呼修改分组。当空闲状态主机移动到新的寻呼域时，就必须发送寻呼修改分组。该分组通过基站以hopbyhop方式路由到网关，在每个通过节点创建寻呼缓存，指向新的寻呼域。寻呼修改分组到达网关后丢弃。基站选择性的设置寻呼缓存，寻呼缓存和路由缓存有两个方面的不同一是寻呼缓存映射的超时时间更长，二是主机发送的素有分组都修改寻呼缓存映射，而路由缓存映射只能被数据分组和路由修改分组修改。当一个分组发往空闲状态主机，而节点没有指向该主机的路由缓存映射时，就发生寻呼。如果基站没有寻呼缓存，就将分组转发到所有下行基站否则就利用寻呼缓存的映射，将分组转发到下一节点，直至主机，这就避免了在蜂窝内查找的过程，降低了寻呼的费用。三、性能分析将蜂窝IP技术应用到WaveLAN系统中，建立实验系统，主要分析蜂窝IP协议的切换性能，分析切换时的分组丢失率。可以得出，硬切换时，分组丢失率随着分组速率的上升而增加，也受到发送缓存器大小的影响而在软切换时，分组几乎不丢失。因为在硬切换条件下，主机切换到新基站后，就立即丢弃原基站的分组，显然当发送缓存器越大、分组速率越高时，丢弃的分组越多而软切换时，主机保留一段时间同时接收两个基站的分组，所以几乎就没有分组丢失。可以看出，采用准软切换的蜂窝IP技术在充分解决Internet主机移动性的基础上，保证移动主机在频繁切换下传输高速分组数据的性能，适用于微蜂窝和微微蜂窝，满足第三代移动通信系统传输高速无线数据的需要。蜂窝IP技术很好的利用了MobileIP和蜂窝移动系统的技术优点，采用特有的路由、寻呼和准软切换技术，适应下一代移动通信发展的需要。随着移动通信和下一代Internet的迅猛发展，人们对于高速无线数据通信的需求越来越迫切，蜂窝IP技术必将进一步发展和完善，与下一代移动通信系统和Internet完全兼容，真正带入人类进入宽带移动多媒体通信时代。作者单位河北石油职业技术学院参考文献1张中平.蜂窝IP及其性能分析J.移动通信，2005,（12）7879.2叶敏华等.移动IP与蜂窝IP技术J.现代电信科技，2003,（5）2931.3刘志敏.移动IP及其改进技术J．电信科学，2002,（8）4749.
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播技术初探 - 无线通信
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IP
播技术初探
IP
播技术初探
杨志　邢思杰　　摘要：主要讨论IP组播的路由选择问题，指出了路由选择的目的地址问题和回路问题的解决方法。　　关键词：IP组播；反向路径转发　　近年来，随着信息技术的迅猛发展，网络应用大量增加，使得原来已经存在的、庞大的数据传输量成倍增长，而优化带宽可满足数据传输量增长的需要，IP组播技术则是优化带宽的重要手段。它适用于多点到多点或一点到多点的数据传输业务，其基本原则是IP组播依托IP协议完成；IP组播强制网络在数据分布树的分叉处进行信息包复制，而不是由信息源节点多次重复地发送相同的数据包。　　一、IP组播模型特征　　用户的增加和去除不需要全局协调，加入组播组仅是需要为用户设置一个IP组播地址。为了接收数据，用户在特殊IP组播交叉点中进行注册，而不需要知道组中其它用户的情况，路由对用户隐藏了组播实现的细节。　　如果组播起源于同一个源，而终止不同的用户，且携带的数据相同，需要定义一个组播地址，让网络决定如何将源数据流发往组播地址，如何在它的链路上组织数据流传输，以最佳地利用带宽。　　路由器建立分布树，用于连接组播组所成员，把那些寻址到组播组的IP分组一直转发到具有组播组成员的网络中，并解决组播路由选择中的回路问题。　　发送者使用组播地址发送分组，发送方可以不知道接收方的任何信息，而只需要了解地址。一个组可有任何源。　　二、组播路由选择　　组播路由选择是网络的一个问题，这个难题的解决需要复杂的有时是难以处理的协议。　　1.组播路由选择的两个基本问题　　（1）目的地址问题　　即如何让网络知道每个组的每个目的地址。每个路由器都连有某个组播成员的主机。组中有一个成员发出组播数据，每个主机使用Internet组播管理协议与直接相连的路由器通信。　　当源发送组播分组给它的路由器1时，此路由器将分组转发给网络内的另一个路由器2，路由器2将分组转发给路由器3和与该路由相连接的目主机；下一跳路由器运行与此相似。结果是每个主机都看到从组播源来的数据流。如果第3和第4个路由器没有任何相连接的主机是组播组成员，第2个路由器不知道不应转发分组给其余路由器，造成未加入组播组的地址也获得了信息，目的地址不明确。其解决方法是运行Internet组播管理协议机制侦听网络，以获知网络上哪些节点需要接收组播通信协议。IGMP具有两个功能：将组播成员消息报告给紧接邻域多播路由器；构建主机和路由的组播群。　　（2）组播路由回路问题　　有4个路由器的网络中，假设路由器向所有需要组播数据流的路由器或主机所在的接口转发数据流，由于路由器除与主机相连接以外，还相互连接，结果是产生了组播路由选择回路，造成链路的带宽完全消耗在数据流的传输上。　　2.反向路径转发　　反向路径转发的基本思想是从每个目的地构建返回到源的最短路径，组播分组转发给所有接口（未有接口除外）。如果组播分组抵达的接口不是返回到源端的最短路径，则抛弃该分组。距离矢量组播路由协议是IP组播广泛使用的路由协议，它使用反向路径转发来做出组播路由选择回路的一种方法。它是这样工作的：当路由器收到组播分组时，查看此分组是否在最短返回源路径的接口上。如果不是，则丢弃该分组；如果是，则转发分组到接口或者路由器。　　（1）首先组播源发送一个分组给路由器1，然后路由器1将其转发给路由器2和路由器4；　　（2）路由器2通过它的单播路由选择表确定路由器1是在最接近源的接口上收到的，然后它将分组转发给直接相连的接收方，此接收方用Internet组管理协议加入该组。路由器2也转发分组给路由器3；　　（3）路由器4像路由器2一样，用它的单播路由选择表示确定路由器1的分组是在最接近源的接口上收到的。然后，它将分组转发给直接相连的接收方，此接收方用Internet组管理协议加入该组。路由器4也将分组转发给路由器3；　　（4）路由器3收到路由器2和路由器4的组播分组，查找路由选择确定哪一个路由器最接近源主机。路由器3选择了连接到路由器4的通道，即使连到路由器2的通道到源主机的距离相同，然后路由器3转发组播分组给路由器4和直接相连接的目的主机2；　　（5）路由器4收到路由器3的组播分组，确定该分组不是在最近组播源的接口上收到的，结果丢弃该分组。　　应用IP组播，用户只需发送自己信息的一个拷贝到所有接收者的IP组播地址中，这显然最佳地利用了网络带宽，IP组播还可以大大减少发送服务器的负担。IP组播通过分布树能有效地进行一对多的数据流传输，在这种分布树中，两个路由器之间仅需一条传输路径，数据流只在路径分叉点时才被拷贝。　　当某主机希望加入该组时，主机发送Internet组播管理协议加入报文给了解组播源的路由器，路由器发送一个距离矢量组播路由协议嫁接报文以便开始接收必需的组播通信，嫁接报文被发往上行流直到它们找到分布树。此分布树将一个组播中的分组传递给该组成员。就发送者而言，仅需要简单发送一个以相应组播地址为目的地址的单个IP分组，剩下的工作都由路由器来完成，其规模可以从一个接收者扩展到数个接收者。如果路由器发现所有直接相连的组播主机都离开该组，并且没有下行流路由器依赖于组通信，则路由器发送一个剪枝消息给上行流以关闭通信，发送者根本不用关心组成员的变化。　摘自《江西通信科技》2002.3
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高级工程师
请教各位：
在网络上的分组交换机，
当用户端把数据发送到ISP的分组交换机，听说分组交换机是存储转发（但这个存储转发应该是根据MAC地址吧？？）
那么分组交换机是根据目的地的IP转发还是根据MAC转发的呀？（听说广域网上没有MAC），
这个就相当疑惑了？？
助理工程师
不知道什么是分组交换机，不过我们平时常用的以太网交换机工作在第二层，所以是根据MAC地址转发。
高级工程师
现在讨论的是广域网上的分组交换机，
不明白的是，不是说广域网上不是没有MAC吗？
但分组交换机的存储转发又是什么意思呢？
它是根据什么来进行转发呢？
助理工程师
这个我回答不了，但我可以说既不是根据IP地址，也不是根据MAC转发
像X.25、FR、ATM都是分组交换,你说他们都有IP地址,都有MAC地址吗
FR是根据DLCI号转发的，其他的没搞过， 说不出来
中级工程师
引用:原帖由 cooky9999 于 17-4- 发表
这个我回答不了，但我可以说既不是根据IP地址，也不是根据MAC转发
像X.25、FR、ATM都是分组交换,你说他们都有IP地址,都有MAC地址吗
FR是根据DLCI号转发的，其他的没搞过， 说不出来 ... 有点模糊概念哦~
只是追求技术意义的精髓学/习
分组交换网络中的交换机根据每个分组中的地址信息确定通过那条链路发送分组，确定链路的方法有两种
1.无连接系统：每个分组携带完整地址信息，交换机根据地址转发
2.面向连接的系统：预先确定分组的路由，分组只携带标识符DLCI，交换机在内存中查找标识符确定前进路由
高级工程师
引用:原帖由 yuas_asd 于
09:51 发表
分组交换网络中的交换机根据每个分组中的地址信息确定通过那条链路发送分组，确定链路的方法有两种
1.无连接系统：每个分组携带完整地址信息，交换机根据地址转发
2.面向连接的系统：预先确定分组的路由，分组只携带标识符DLCI ... 谢谢，
想了解一下：
你说的这个地址是指什么呢？
面向连接的系统，这个DLCI好像只有FR中才有的概念吧？？
高级工程师
广域网上也是有MAC地址的，只是有些特殊的网络转发的时候二层不是看MAC，比如FR是根据DLCI号转发；又比如ATM网络，是根据信元进行转发的。只有在这个时候在交换机上查的不是MAC地址表，但是请楼主记住，不管是不是分组交换机，都是有MAC地址的，在一般的网络中也都是根据查找目标MAC来进行转发的，同时学习源MAC。
高级工程师
引用:原帖由 zhangonline 于
14:11 发表
广域网上也是有MAC地址的，只是有些特殊的网络转发的时候二层不是看MAC，比如FR是根据DLCI号转发；又比如ATM网络，是根据信元进行转发的。只有在这个时候在交换机上查的不是MAC地址表，但是请楼主记住，不管是不是分组交换机，都是 ... 非常感谢指导，
我以前只是听说PPP之类的没有MAC就能通信什么的，
不知道它是如何找到对端的呢？有了 IP 地址，为什么还要用 MAC 地址？
我的图书馆
有了 IP 地址，为什么还要用 MAC 地址？
有了 IP 地址，为什么还要用 MAC 地址？估计很多人都有这个疑问，但没见哪本书上解释清楚，都只是描述IP是什么，MAC是什么。当数据包到达局域网后，完全可以直接送到对应的IP地址主机，为什么还要询问一下对应IP主机的MAC地址？一个邮递员拿着地址详细到教室的一封信，收件人是小明，教室里没有重名的，邮递员问“小明的学号是多少？”，小明站起来回答“150807”，然后小明坐下，然后邮递员说“学号150807的过来拿信”，小明站起拿信。哎，好像重复了点什么。&·&默认排序71 个回答.zm-item-answer&}" data-init="{&params&: {&url_token&: , &pagesize&: 10, &offset&: 0}, &nodename&: &QuestionAnswerListV2&}" style="border-bottom-width: 1 border-bottom-style: border-bottom-color: rgb(238, 238, 238); color: rgb(34, 34, 34); font-family: 'Helvetica Neue', Helvetica, Arial, sans- font-size: 13 line-height: 22.1">&网络主治大夫，专治疑难杂症最新版本2.0经过20天的思考，换一种思路来考虑这个问题，如果网卡的MAC地址没有了，需要做哪些改变才可以通信？以太网帧头没有12字节的MAC地址了，但是还要保留2字节的ether type 用来协议复用。三层的IP地址需要下发到网卡，让网卡来匹配目的IP和自己的IP来决定接收还是拒绝。没有传统的ARP了，但是如何让二层交换机来预先学习IP和端口号的绑定关系？ 可以把ARP进行改造，模仿目前的gratuitous ARP，目的地址是广播地址，源地址为自己的IP地址。每台设备一上线就周期性发gratuitous ARP，让交换机学习 source IP &-----& Port number，有包来了，直接查询IP，来进行交换，这怎么越来越像路由器了啊？ ^_^本故事纯属虚构，如有雷同，纯属巧合！---------------------------原始版本1.0有一个问题先来面对一下，串行链路上的PPP，HDLC协议需要配置数据链路层的地址吗？很显然不需要，因为串行链路是点对点的通信，发送端的数据发送到链路上，到达接收端无条件接受，达成了默契，不需要二层地址。而以太网是多路访问，发送的包到达交换机，交换机如何转发？根据IP地址转发？那是三层路由器或交换机了！如果采用广播转发，那就是最原始的HUB了，除了发送者，这个广播域里的所有主机网卡都会收到一份数据copy，因为没有MAC地址，网卡无从知道是否属于自己主机的包，因为它没有权利来读取IP信息，于是这些包会通过中断的方式来通知CPU来处理，然后告诉IP层取走数据，IP层再检查IP地址是不是自己的，是就接收，不是的就丢弃。这合理吗？显然不合理，因为所有的包都会影响所有的主机，这种网络几乎不可用，资源都被浪费了。而有了MAC地址，交换机查询Mac 转发表，知道MAC地址和端口的映射关系，只发给接收者，到达目的地网卡，检查来包的MAC和自己的MAC进行对比，对比一致才会提交给上层，这个转发过程彼此不会影响，显然要合理的多。&&&&&·&&·&&·&&不求南北，各奔东西长话短说，理由有三点。一. 整体与局部信息传递时候，需要知道的其实是两个地址：IP地址本质上是终点地址，它在跳过路由器（hop）的时候不会改变，而MAC地址则是下一跳的地址，每跳过一次路由器都会改变。这就是为什么还要用MAC地址的原因之一，它起到了记录下一跳的信息的作用。注：一般来说IP地址经过路由器是不变的，不过NAT（Network address translation）例外，这也是有些人反对NAT而支持IPV6的原因之一。二. 分层实现如果在IP包头（header）中增加了”下一跳IP地址“这个字段，在逻辑上来说，如果IP地址够用，交换机也支持根据IP地址转发（现在的二层交换机不支持这样做），其实MAC地址并不是必要的。但用MAC地址和IP地址两个地址，用于分别表示物理地址和逻辑地址是有好处的。这样分层可以使网络层与链路层的协议更灵活地替换，网络层不一定非要用『IP』协议，链路层也不一定非用『以太网』协议。这就像OSI七层模型，TCP/IP五层模型其实也不是必要的，用双层模型甚至单层模型实现网络也不是不可以的，只是那样做很蛋疼罢了。三. 早期的『以太网』实现早期的以太网只有集线器（hub），没有交换机（switch），所以发出去的包能被以太网内的所有机器监听到，因此要附带上MAC地址，每个机器只需要接受与自己MAC地址相匹配的包。&&&&&·&&·&&·&&修路由器的，顺便修光传输设备。…这个问题很有趣，但一部分朋友的回答是基于有了二层三层再进行讨论的，我从另外个角度来理解下。这个问题可以引申为网络为什么要分这几层，基于TCP/IP来说，传输介质不同，物理层一定要存在的。应用程序需要大量端口，上层的应用层也是要存在的，这些都不难理解。那为什么要分二三层呢？换句话说，如果二三层合二为一会发生什么呢？我脑洞大开了一下，实现是完全没有问题的，但引发的后果就是子网网段包含大量主机，接入层的设备就需要消耗大量cpu维护相关协议，而且可以相到的就是设计困难，难以规范。所以，我以为分为二三层的目的是为了简化设计，并且节省底层资源。还是题中的例子，我们确实可以给所有小明起一个唯一的编号，快递直接发给这个编号是可实现的，但这样引发的后果就是邮局拿到编号后要满世界的找正确编号的小明，费时费力，不如先排个班级，比如说192.168.1.0班1号小明，他的唯一编号是aaaa.aaaa.aaaa，邮局就可以快速定位班级再找到小明，虽有多余操作，但效率更高更安全，更易于设计。&&&&&·&&·&&·&&土人问题的核心在于网络上的分层概念。IP地址是不区分传播介质的，他的作用是在internet网中能够投递到边界。在网络边界的局域网，有可能使用不同的层二网络，以太、wifi、ppp、3g、wimax等等。在这个局域网中，才出现了与介质相关的终端标识。mac地址用于以太网，imsi用于3g网，线路号用于拨号上网。internet边界路由器可以在这个特定的介质网中找到特定终端。如果没有IP地址，那么3g网络用户无法和以太网用户通信，因为没办法去做这么复杂的协议让几十种协议两两对通。即使做了，发起方也需要方法去知道对端用的是什么层二网。因此，所有网络协议都用IP，只在两头网关上做转换，就是一种设计很先进的奇妙方法。反过来，为什么全球只要mac地址不能用于全球通信？问题在于mac地址和IP地址的汇聚性。mac地址是出厂就决定的，不是上网的时候决定的。也就是说intel设备或使用intel芯片的mac地址前面多少位是相同的，然后intel在给芯片分地址的时候保证所有的芯片没有重号的，这样才能保证随便哪个终端接入到同一个局域网中没有重复的。这样问题就来了：网络上希望路由器的转发规则尽量简单，所以一般要用ip地址前多少位而不是整个IP地址去做转发。mac地址显然没法汇聚，前面已经讲过，工厂决定的。给每个用户分配一个只由路由器网关决定的地址，每个网关上附着一个段，例如100.200.x.x，也就是所有以100.200开头的ip都送到这个网关上来，就可以保证internet转发规则的简单化。而且，一个用户从一个局域网离开，换到另一个局域网中，mac地址不需要变，只需要换个ip地址就行。&&&&&·&&·&&·&&it工程师我来说说我的理解吧。&举例说明： 我们知道，出于历史的原因，这个世界上出现了很多的国家和民族，他们都使用不同的语言比如，我要和法国人通信，就要学会法语，和日本人通信，就要学会日语，同理，要学会德语、意大利语、西班牙语。。。如果每和一个国家通信，就要学会对方的语言，那可要累死了。所以，最好的办法，就是大家都用1种语言通信。这样只要学会一门外语就可以跟所有的国家通信了。这种“世界通用语言”可以通过2种途径得到：现成的，和新发明的工业革命以后，日不落帝国是世界的中心，其直接继承者美国也是世界的中心，它们都使用英语，于是英语借助其强势地位，成为世界的通用的语言。同时，“世界语”也是一种世界通用语言，与英语不同，世界语是“新发明”的语言（当然也借鉴了其它语言的规则），也就是说，没有哪个民族是”世界语民族“，也不可能发现某个1000前的石碑，上刻世界语。。。因为没有一个国家的母语是世界语，所以在用世界语交流的时候必须要经过一个“翻译”的过程：把本国语言，翻译成世界语。所以我们可以说，世界语是一种“不完备”的语言，它必须依赖于其它的语言才能使用，或者说：运行于其它语言之上。出于历史的原因，“电脑网络”是从无到有、从小到大发展起来的。有很多的网络被发明出来，这些网络各自使用自己的协议（语言），互不兼容（不同的语言相互不能理解），有些网络只应用于小面积，比如一个家庭，一栋楼房，线路长度按米、百米计算。这类网络叫做“局域网”有些网络应用于很大的面积，比如我办理了宽带，这样我和电信公司之间就有一条长达N公里线路，或者电信公司和电信公司之间有长达几十公里的线路。这类网络叫做“广域网”。因特网就是“网络世界语”，各种网络都用1种协议：因特网协议（TCP/IP协议族）交流，所以各种网络都要有个“翻译”的过程：把本网协议，翻译成因特网协议。正如上文所言，世界语是“不完备”的语言，因为大家使用世界语需要一个翻译的过程所以，因特网协议也是不完备的协议，其它网络在运行TCP/IP协议族的时候，也需要一个翻译的过程这就是MAC地址之所以存在的核心要点，下面详述。在因特网出现之前就已经有很多的网络出现了，而且因特网并不是第一个全球大网（很明显，历史悠久的有线电话网络就是全球大网）然后，因特网出现了。需要注意的是，因特网在诞生之初，并没有想到自己会成为一个全球性的大网，所以没有针对全球网络的特点进行设计，这就留下了一些短板（比如IP地址不够，协议有漏洞，想想大名鼎鼎的ARP协议漏洞 ）。因特网成功以后，这些漏洞被IPV6弥补设计因特网的初衷，是为了应付对苏联的核战争（当时还存在苏联）。&你可能听说过“恐怖平衡”这个概念，说的是美苏任何一方如果先发制人的向对方发动核战争，对方的核报复也会让自己身处火海，所以谁也不敢首先使用核武器，从而避免了核大战。但很明显，大家追求的是“优势”而不是“平衡”，这种“平衡”也是不得已而为之，如果我方技术高超，有能力取得核战争的胜利，那就可以把这种可笑的“平衡”扔进太平洋。美国国防部在思考：我往苏联扔一颗核弹，苏联的军事指挥通信系统就垮掉了，没有了指挥，再强大的军队也成了无头苍蝇，没有了战斗力。可苏联往美国扔核弹，美国也会有同样的结局。可是。。。如果我设计一种通信网络结构，这种结构”容灾性“很强、很”健壮“、很”高可用“ ，苏联的1颗核弹灭不了，2颗核弹灭不了，3颗核弹才可以灭。而我1颗核弹就可以灭了它。这样我就有了喘息的余地，我就可能成为核战争的胜利者。因特网就是在这种思考之下诞生了。因特网能抵抗核爆炸？真有这么神奇么？看看图就知道了。先说说传统的电话网拓扑：电话网是一个典型的星形网络，用户A要给用户F打电话，其路径就是A-K-F同理，用户C要给用户G打电话，路径就是C-K-G也就是说，任何用户之间要打电话，都必不可免的要经过中央交换机K所以你知道为何在打仗的时候，电信局是首要被攻击目标了，因为电信局里面放着电话交换机。如果要破坏这个城市的电话网络，我不用挨家挨户砸电话，只要破坏掉电信局的电话交换机，就万事OK了！那么该怎样防止这种情况的发生呢？方案A，我隐藏交换机的位置所在，让敌方找不到交换机在哪但现代战场，天上有卫星，地下有监听，在严密的监视网络面前，想要将自己隐匿起来，已经不容易了。那就方案B，我在交换机周围布置重兵，建设防御工事，就算你发现了也攻不进来。但现代化的武器威力巨大，再加上核武器，再多的人、再坚固的工事也难以抵挡。所以，思想家们另辟蹊径，在网络的拓扑结构上做文章，改“集中式”为”分布式“，于是因特网出现了。因特网是怎么避免核心设备被攻击，让网络能够在战争中存活更长的时间呢？见下图：可以看到，网络拓扑由星形网络，变成了网状网络。这里的每个用户（或称节点）都是一个电话交换机（对于因特网，就是路由器）此时，如果A和H打电话，那路径可多了：最短距离，当然是A-H，所以优先走A-H。但如果A-H断掉了，还可以走A-D-H、A-E-H、A-E-F-B-D-H。。。。所以，A-H断了没事、B-C断了没事，C-D断了没事、F-G断了没事。。。由此可见，网状网络的是一种非常“高可用”的网络，容灾性很好。这些节点的地位（功能）都是相同的，不存在某个节点比另外的节点更重要的情况。所以一个节点出了问题，另外的节点就可以取而代之。而星形网络就不是这样，很明显中央节点比其它节点更重要，中央节点失效，其它节点无法替代，整网就失效了。随着节点数的增加，节点之间的可用线路的数量呈指数方式增加，函数是N*(N-1)/2。这个简单的函数可是有很大的威力的，请看下图：相比于上图电话的星型网络，如果要破坏这样的一张网状网络，又该如何下手呢？因特网最初是国防通信网络（APRA-阿帕网），后演变成连接各大学、政府部门和科研机构的教学科研网，最后演变为烧钱的商业化网络。以上所说的知识面叫做“因特网的体系结构”。再说说因特网协议：TCP/IP协议族从一开始，因特网就没有想过成为世界性大网，所以，因特网的协议，从制定之初就是”不完备“的也就是说，因特网必须要基于其它网络之上，依靠其它的网络才能完成自身的功能。就像是世界语是不完备的，必须要基于其它语言之上，才能实现其自身的功能。如果世界语运行于汉语之上，那就是：世界语 over 汉语比如，已经存在一种局域网技术，叫做”以太网“，那么好，因特网就运行于以太网之上，英文写作：TCP/IP over Ethernet注：TCP/IP是专为因特网开发的一系列协议当中的2个协议，因这2个协议最重要（同时也最出名），就用这2个协议代言因特网了。还有一种城域网技术叫做“令牌环网 ”，那么好，因特网就运行在令牌环网之上 ，英文写作：TCP/IP over Token-ring还有一种广域网技术叫做"ATM"，那么好，因特网就运行于ATM之上，英文写作：TCP/IP over ATM如果你想要因特网运行于USB呢？自然就是：TCP/IP over USB。。。。。。。。。。。你肯定知道OSI的7层协议，因特网协议族（TCP/IP协议族）并没有覆盖完整的7层协议 （只定义了第3层和第4层），很明显，因特网没有定义水晶头的形状、网线里有几根铜线、铜线里面传输的电压是多少等等参数，这些参数是诸如以太网这样的网络定义的。那么，为什么因特网不定义这些参数呢？上面说了：“也许”从一开始，因特网就没有想到自己会成为一个世界大网，所以就没有定义得这么复杂。但也有另一种可能：其实一种网络技术，不一定要“大而全”，从1层到7层全制定，可以只制定其中几层。比如以太网定义了1~2层（物理层、数据链路层），因特网定义了3~4层（网络层、传输层），其它公司定义了5~7层（SQL、JPEG、HTTP）这样，不同的网络、不同的协议之间相互配合就可以了。就像是，我是一家生产火车的厂家，我当然可以生产铁轨，制定铁轨的宽度，生产火车车厢。但既然已经有大量的铁轨铺设完毕了，那我就不用管铁轨的事情了。火车运行于现成的铁轨之上就可以了在这里，铁轨就是以太网（局域网）、ATM（广域网）或者其它现存的2层网，火车就是因特网。所以，从来不存在“纯粹的因特网”，因为因特网没有定义底层，只存在TCP/IP over XXX经过以上的解释，你就知道为何一定需要MAC地址了：既然大家都是“网”，那么，每种网都要给网上的节点（电脑）分配“地址”。以太网的MAC地址格式是12个16进制数，比如C6D因特网IP地址格式是4个点分10进制数，比如192.168.201.160刚才说了，不存在“纯粹的因特网”，所以因特网必须要基于以太网之上才能工作，所以就是“同时运行了2个网”就像是世界语必须要基于中文之上才能工作，所以就是“同时说了2种语言”所以，就必须要“翻译”也就是把以太网的MAC地址，翻译成因特网的IP地址，这就是ARP的作用假如我的中文名字叫做“刘涛”，如果要翻译成世界语，就肯定要有个世界语的名字（假设叫LIUTAO）同样是名字：刘涛→翻译成→LIUTAO同样是地址：21-35-6D-1F-83-9E→翻译成→10.42.90.8当然了，如果因特网从开始制定之初，就定义了从物理层到传输层的协议，那么因特网就不再依赖于其它任何的网络，这时就不用什么MAC地址了。讲完了。我是不是太罗嗦了。。。。&&&&&·&&·&&·&&工程师MAC地址存在的一个意义在于网络过滤，就是允许哪些计算机或设备可以连入该局域网，增加网络的安全性，一般公司都需要这要做的。至于什么标识机器唯一性，人家换个网卡不就变了吗？没有多大意义。还有上面说到NAT，其实就是解决ip地址不够用，和MAC地址真没有关联。&&&&&·&&·&&·&_&&_& 不懂编程原题：「当数据包到达局域网后，完全可以直接送到对应的IP地址主机，为什么还要询问一下对应IP主机的MAC地址？」真的这样了还需要费心尽力地搞IPv6干嘛。题主：「你的前提是认为交换机是这样处理的，理所当然认为这样处理是正确的。交换机处理mac，路由器处理ip，为什么要这样设计？交换机为什么不可以处理ip？为什么要分层？」交换机工作在二层，只认识MAC地址。如果交换机要处理IP，把二层砍掉只剩三层？呃，不觉得处理速度会很慢吗？网络是过去几十年一步一步搭建的，兼容性什么的都要考虑。你不能说现在都有微信了，还要固定电话号码干嘛～---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------简单地说两句：二层是这样工作的：每个接入设备口分配一个地址，一般的星形结构的网络，每台设备发出的数据所有其他设备都能收到，然后根据目标地址看是否是发给自己的。这个地址是谓MAC地址，因为身在最底层，没有设置分配机制或者自动获取机制，每台设备制作的时候固定写在里面，并且确保全球不重复，这样就不会有冲突。当然后来也就有了交换机，也就是带有存储转发功能的集线器，可以把包存一下，看一看目标地址，然后选择某一条线路发出去。怎么知道哪条线路是哪个MAC？学咯，每条线路发来的包看一下来源地址，然后记到表里面。二层还要解决多个设备同时发送冲突的问题，要检测，要处理，要重发等等。三层是这样工作的：每个设备有一个IP地址，也要保证唯一。这个IP地址可以手工分配，也可以通过DHCP获取。手工分配的时候需要注意保证唯一。局域网内想联系一个IP地址，先要知道对应的MAC地址，这时候走二层的ARP全网问一下就可以了。反过来，自己作为新设备想要一个IP地址，要么RARP要一个，要么走基于UDP的DHCP要一个，当然都只限于局域网内。有了这些底层的东东，每台设备都有了自己的IP地址，这样就可以互相通信。三层的关键在于，有了路由器，路由器用于将不同的网段连接在一起，并对两个网段间的通信进行存储转发。比如A网络10.0.0.0/24，B网络10.0.1.0/24，中间有一路由器隔着，两边的网关都是.1。10.0.0.2要发信给10.0.1.2，那么先看子网掩码，发现不在自己网络内，然后交给10.0.0.1，路由器看到在网络B内，从10.0.1.1发出，然后到达10.0.1.2。假如这俩网络没有路由器，直接走二层，那么多电脑连在一起，广播包就会占掉大量的网络带宽。路由器，顾名思义就是要找路用的。比如B网络还用一个路由器连接着C网络10.0.2.0/24，那么A网络一台机器要发包给C网络的一台机器，路由器怎么知道怎么走法呢，于是需要路由协议，路由器之间要说说话，了解一下对方的状态。再往大了去，就是互联网了。中国的一台电脑要连接美国微软，那么发出的包先到宽带运营商，然后到北京出口，然后觉得现在走欧洲到美国慢，于是转到上海，走海底光缆到了美国，再走旧金山，到西雅图，再到雷德蒙。如果只有MAC地址，是无法支撑起这么大的网络的，你觉得直接访问到MAC地址就行了，问题是你让路由器怎么给你找到路线呢？所以，对于原题「都只是描述IP是什么，MAC是什么。当数据包到达局域网后，完全可以直接送到对应的IP地址主机，为什么还要询问一下对应IP主机的MAC地址？」你缺乏网络知识，搞不清NAT的含义，只以为公网就是用IP的，局域网就是用MAC地址的。如果你本身用的公网IP，那么全部走IP访问即可。如果是局域网多台电脑共用公网出口，那么首先要做的是NAT转换，这个是要在4层TCP和UDP上做的。只在二层无法完成。你说的东西更像IPv6，这样不需要再做NAT，所有内网设备都可以分配一个IPv6地址。不知道题主想的明白不，我猜肯定想不明白，哼哼～&&&&&·&&·&&·&
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