網絡地址轉換算法研究

摘要:計算機網絡性能是衡量計算機網絡運行狀態的各項指標的綜合。計算機網絡因其發展的高速度和各自為政的研究體制，以及兼容性等諸多悶題，出現了一些和總體發展趨勢及未來需求不太和諧的技術，造成了網絡性能效率低和不穩定。該文通過對地址分配的不合理性、協議數據的冗余度及ARP廣播問題的分析，提出一種優化網絡性能的策略。

關鍵詞:網絡性能;交換機探尋算法;優化

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)26-7409-02

1 IP承載網絡存在的問題

盡管網絡技術已經發展的比較成熟，并在社會、經濟、技術等各個方面發揮越來越大的作用，但是，從技術的和應用兩個方面考慮，現在網絡層存在一些問題是不容回避的事實，為了分析這些問題，先要仔細分析與之密切相關的兩個方面:結構和協議。

1.1 影響網絡性能的結構因素

IP地址分配很不合理。在網絡應用的初期，由于對IP地址的需求量認識不清，許多國家和地區球地址的分配都明顯不夠。后期隨著各種應用的增加，不得不再次申請IP地址，但由于相鄰的IP地址域已經被其它國家或地區申請并擁有，所獲得的IP地址自然也就無法保證連續性，因露出現了很多國家和地區的IP地址相互交叉。這就造成了IP地址段和地理位置沒有直接關系，如一個日本所屬的IP地址段，其前面緊鄰的地址段可能是荷蘭的，而緊鄰其后的某一段又可能是印度的。這就造成了傳送每一個網絡數據，都必須在處理設備中有去往該網絡的路由表項，否則不能正確地進行數據轉發。

1.2 影響網絡性能的協議因素

影響網絡的協議因素很多，但最關鍵的只有兩大類:

1)網絡上使用的鏈路通信幀格式過于復雜。隨著鏈路性能的逐步提高，當前在廣域網上運行的協議在檢錯、糾錯方面采取了弱化的方式，但大多數依然保存了幀校驗序列(FCS)。薦加上出于安全的目的而采用的一些校驗核等數據，冗余數據占通信數據量的比例比較大，在很大程度上降低了通信的效率，做適當的改進非常必要。

2)接入局域網后的ARP協議的使用有待改進。ARP協議的工作過程簡單易行，但由于其自身問題給別有用心者實施ARP欺騙留下了可乘之機，并給大量局域網的應用帶來了嚴重的危害。

2 交換機探詢算法

隨著鏈路性能的逐步改進，物理層數據出錯的概率業已下降到了一個基本可以忽略的程度，數據鏈路層幀的傳輸再去做大量的檢錯糾錯工作已經不是十分必要。而且我們都知道，不管是OSI的七層協議，還是TCP/IP的四層協議，其最終保證通信可靠性的是傳輸層。可以設想未來網絡的廣域網鏈路中幀格式的冗余數據會大幅度下降。很多網絡的改進已經采用了簡化鏈路層的思路，這其中比較成熟的是FR(幀中繼)技術。僅比網絡層增加了2個字節的幀定界、2個字節的校驗序列和2個字節的地址。

在大部分廣域網中，鏈路層只是一個簡單的過渡，如圖1中數據包的走向如箭頭所示，當有一個數據包Pa需要從Rl經鏈路l到R2，那一定是因為Rl根據其內部路由表對Pa做出的路由選擇，R2應該無條件的接收，再根據自己的情況決定轉發路徑，那么在鏈路1上的數據幀中加上一個物理地址(且這一物理地址離開鏈路1就沒有意義)，顯得毫無必要。因為這里不存在廣播的問題，也就是說送達該端口的數據一定是該節點應該接收的，所有要做的工作僅僅是如何規范地對數據幀的結構進行標準化。

本文對鏈路層優化的研究重點將放在局域網中，而其體數據鏈路層優化的思路是將終端ARP詢問地址的方式改變為交換機定時查詢，通過研究利用集中管理MAC地址的方式從根本上解決廣播帶來的問題。這種方法為交換機探詢方法，其所使用的算法相應地稱為交換機探詢算法。

3 網絡性能優化原理

如圖2所示的局域網，各連接在SWI上的終端和路由器為了相互通信，采用ARP包探詢其它終端或路由器的MAC地址。若有人想進行ARP欺騙則會用別人的MAC地址作應答，從而達到目的。

熟悉局域網工作原理的人都知道，作為交換機的SWI本身就是根據MAC地址表進行幀數據轉發的。在啟動伊始，它的地址表是空的，每當有數據幀經過，交換機就會將該幀數據的MAC地址和相應的端口記錄下來形成一個表項，這個過程稱為自學習。

仔細研究可以發現，只要將MAC地址表的形成過程由截獲包的過程改變為交換機主動輪詢即可避免欺騙。

SWI啟動時對直接連在其端口上的PCI、PC2、PC3、PC4及路由器R1發包詢問，由于是一對一的問答，因此不會產生欺騙。當然也可采用類似于NETSTAT這樣的命令直接對硬件進行查詢，出現欺騙的可能性就會更小。同樣SW2也采用同樣的方法構建自己的MAC地址表，然后相連的交換機(如圖2中的SWl和SW2)互相交換通知自己所連的終端和設備，形成完備的MAC地址表。最后，再制作一份ARP高速緩存表(如果是這樣，這一名稱也就失去意義，應重新定義)，發給和自己直接相連的終端及設備，每一個終端就了解網絡所連的其它終端了。為了保證可靠性，交換機可以利用自己的工作間隙，定期硬件查詢并進行刷新，通信就能一直順利完成。

4 結論

網絡的性能優化以及優化技術的具體應用有著極強的實用性和誘人的前景。改革網絡節點中交換算法的研究，對解決這些問題將會產生一系列有價值的成果，本文所提出的交換機探詢算法使得網絡性能相關理論和網絡節點轉發算法更加完善，從而使得現實網絡具有更高的可靠性、更小的時延、更大的帶寬，并能提供更加優越的服務。

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