IPv4 分组转发实验
1.实验目的
通过前面的实验，我们已经深入了解了 IPv4 协议的分组接收和发送处理流程。本实验需要将实验模块的角色定位从通信两端的主机转移到作为中间节点的路由器上，在 IPv4 分组收发处理的基础上，实现分组的路由转发功能。
网络层协议最为关注的是如何将IPv4 分组从源主机通过网络送达目的主机，这个任务就是由路由器中的 IPv4 协议模块所承担。路由器根据自身所获得的路由信息，将收到的IPv4 分组转发给正确的下一跳路由器。如此逐跳地对分组进行转发，直至该分组抵达目的主机。IPv4 分组转发是路由器最为重要的功能。
本实验设计模拟实现路由器中的 IPv4 协议，可以在原有 IPv4 分组收发实验的基础上，增加 IPv4 分组的转发功能。对网络的观察视角由主机转移到路由器中，了解路由器是如何为分组选择路由，并逐跳地将分组发送到目的主机。本实验中也会初步接触路由表这一重要的数据结构， 认识路由器是如何根据路由表对分组进行转发的。
2.实验环境
Ø 接入到 Netriver 网络实验系统服务器的主机
Ø Windows XP、Windows7/8/10 或苹果 OS
Ø 开发语言：C 语言
3.实验要求
在前面 IPv4 分组收发实验的基础上，增加分组转发功能。具体来说， 对于每一个到达本机的 IPv4 分组，根据其目的 IPv4 地址决定分组的处理行为，对该分组进行如下的几类操作：




1) 向上层协议上交目的地址为本机地址的分组；
2) 根据路由查找结果，丢弃查不到路由的分组；
3) 根据路由查找结果，向相应接口转发不是本机接收的分组。
4.实验内容
实验内容主要包括：
1) 设计路由表数据结构。
设计路由表所采用的数据结构。要求能够根据目的 IPv4 地址来确定分组处理行为（转发情况下需获得下一跳的 IPv4 地址）。路由表的数据结构和查找算法会极大的影响路由器的转发性能，有兴趣的同学可以深入思考和探索。
2) IPv4 分组的接收和发送。
对前面实验（IP 实验）中所完成的代码进行修改，在路由器协议栈的IPv4 模块中能够正确完成分组的接收和发送处理。具体要求不做改变， 参见“IP 实验”。
3) IPv4 分组的转发。
对于需要转发的分组进行处理，获得下一跳的 IP 地址，然后调用发送接口函数做进一步处理。
5.参考内容
分组转发是路由器最重要的功能。分组转发的依据是路由信息，以此将目的地址不同的分组发送到相应的接口上，逐跳转发，并最终到达目的主机。本实验要求按照路由器协议栈的IPv4 协议功能进行设计实现， 接收处理所有收到的分组（而不只是目的地址为本机地址的分组），并根据分组的 IPV4 目的地址结合相关的路由信息，对分组进行转发、接收或丢弃操作。
实验的主要流程和系统接口函数与前面“IP 实验”基本相同。在下层接收接口函数 Stud_fwd_deal( )中（图 5-1 中接口函数 1），实现分组接收处理。主要功能是根据分组中目的 IPv4 地址结合对应的路由信息对分




组进行处理。分组需要上交，则调用接口函数 Fwd_LocalRcv( )（图 5-1 中接口函数 2）；需要丢弃，则调用函数 Fwd_DiscardPkt(  )（图 5-1 中函数 5）；需要转发，则进行转发操作。转发操作的实现要点包括，TTL 值减 1，然后重新计算头校验和，最后调用发送接口函数 Fwd_SendtoLower( )
（ 图 5-1 中 接 口 函 数 4 ） 将 分 组 发 送 出 去 。 注 意 ， 接 口 函 数Fwd_SendtoLower( )比前面实验增加了一个参数 pNxtHopAddr，要求在调用时传入下一跳的 IPv4 地址，此地址是通过查找路由表得到的。
另外，本实验增加了一个路由表配置的接口（图 5-1 中函数 6），要求能够根据系统所给信息来设定本机路由表。实验中只需要简单地设置静态路由信息，以作为分组接收和发送处理的判断依据，而路由信息的动态获取和交互，在本实验中不予考虑。


图 5-1 IPv4 分组转发实验接口示意图
与前面 IP 实验不同的是，在本实验中分组接收和发送过程中都需要引入路由表的查找步骤。路由器的主要任务是进行分组转发，它所接收的多数分组都是需要进行转发的，而不像主机协议栈中 IPv4 模块只接收发送给本机的分组；另外，路由器也要接收处理发送给本机的一些分组， 如路由协议的分组（RIP 实验中会涉及到）、ICMP 分组等。如何确定对各种分组的处理操作类型，就需要根据分组的 IPV4 目的地址结合路由信息进行判断。
一般而言，路由信息包括地址段、距离、下一跳地址、操作类型等。在接收到 IPv4 分组后，要通过其目的地址匹配地址段来判断是否为本机地址，如果是则本机接收；如果不是，则通过其目的地址段查找路由表信息，从而得到进一步的操作类型，转发情况下还要获得下一跳的 IPv4




地址。发送 IPv4 分组时，也要拿目的地址来查找路由表，得到下一跳的
IPv4 地址，然后调用发送接口函数做进一步处理。在前面实验中，发送流程中没有查找路由表来确定下一跳地址的步骤，这项工作由系统来完成了，在本实验中则作为实验内容要求学生实现。需要进一步说明的是， 在转发路径中，本路由器可能是路径上的最后一跳，可以直接转发给目的主机，此时下一跳的地址就是 IPv4 分组的目的地址；而非最后一跳的情况下，下一跳的地址是从对应的路由信息中获取的。因此，在路由表中转发类型要区分最后一跳和非最后一跳的情况。
路由表数据结构的设计是非常重要的，会极大地影响路由表的查找速度，进而影响路由器的分组转发性能。本实验中虽然不会涉及大量分组的处理问题，但良好且高效的数据结构无疑会为后面的实验奠定良好的基础。链表结构是最简单的，但效率比较低；树型结构的查找效率会提高很多，但组织和维护有些复杂，可以作为提高的要求。具体数据结构的设计，可以在实践中进一步深入研究。
5.1 路由表维护
需要完成下列分组接收处理步骤：
1) stud_Route_Init ( )函数中，对路由表进行初始化。
2) stud_route_add ( )函数中，完成路由的增加。
5.2 转发处理流程
在 stud_fwd_deal ( )函数中，需要完成下列分组接收处理步骤：
1) 查找路由表。根据相应路由表项的类型来确定下一步操作，错误分组调用函数 fwd_DiscardPkt ( )进行丢弃，上交分组调用接口函数 fwd_LocalRcv ( )提交给上层协议继续处理，转发分组进行转发处理。注意，转发分组还要从路由表项中获取下一跳的 IPv4 地址。
2) 转发处理流程。对 IPv4 头部中的 TTL 字段减 1，重新计算校验和，然后调用下层接口 fwd_SendtoLower ( )进行发送处理。
5.3 实验接口函数
本小节列出了实验时会用到的各种接口函数，其中有一些函数是需




要学生来完成的，有一些函数则是已经实现好了，供学生在实验时直接使用的。表 3-1 列出了所有的接口函数及其简要说明，更详细的说明在后面描述。
表 3-1  函数接口表




函数名


说明


是否需要学生实现




stud_fwd_deal


系统处理收到的 IP 分组的函数，当接收到一个 IP 分组的时候，实验系统会调用该函数进行处理


是




fwd_SendtoLower


将封装完成的 IP 分组通过链路层发送出去的函数。


否




fwd_LocalRcv


将 IP 分组上交本机上层协议的函数，即当分组需要上交上层函数的时
候调用本函数。


否




fwd_DiscardPkt


丢弃 IP 分组的函数。当需要丢弃一
个 IP 分组的时候调用。


否




stud_route_add


向路由表添加路由的函数。系统将调用该函数向路由表添加一条 IPv4 路
由。


是




stud_Route_Init


路由表初始化函数，系统初始化的时候将调用此函数对路由表进行初始
化操作。


是




getIpv4Address


获取本机的 IPv4 地址，用来判断分
组地址和本机地址是否相同


否




1） stud_fwd_deal( )
int stud_fwd_deal(char * pBuffer, int length)
参数：
pBuffer：指向接收到的 IPv4 分组头部
length：IPv4 分组的长度返回值：
0 为成功，1 为失败； 说明：
本函数是 IPv4 协议接收流程的下层接口函数，实验系统从网络中接




收到分组后会调用本函数。调用该函数之前已完成IP 报文的合法性检查， 因此学生在本函数中应该实现如下功能：
a. 判定是否为本机接收的分组，如果是则调用 fwd_LocalRcv( )；
b. 按 照 最 长 匹 配 查 找 路 由 表 获 取 下 一 跳 ， 查 找 失 败 则 调 用
fwd_DiscardPkt( )；
c.调用 fwd_SendtoLower( )完成报文发送；
d.转发过程中注意 TTL 的处理及校验和的变化。
2） fwd_LocalRcv( )
void fwd_LocalRcv(char *pBuffer, int length)
参数：
pBuffer：指向分组的 IP 头
length：表示分组的长度说明：
本函数是 IPv4 协议接收流程的上层接口函数，在对 IPv4 的分组完成解析处理之后，如果分组的目的地址是本机的地址，则调用本函数将正确分组提交上层相应协议模块进一步处理。
3） fwd_SendtoLower( )
void fwd_SendtoLower(char *pBuffer, int length, unsigned int nexthop)
参数：
pBuffer：指向所要发送的 IPv4 分组头部
length：分组长度（包括分组头部） nexthop：转发时下一跳的地址。 说明：
本函数是发送流程的下层接口函数，在 IPv4 协议模块完成发送封装工作后调用该接口函数进行后续发送处理。其中，后续的发送处理过程包括分片处理、IPv4 地址到 MAC 地址的映射（ARP 协议）、封装成 MAC 帧等工作，这部分内容不需要学生完成，由实验系统提供支持。
4） fwd_DiscardPkt( )
void fwd_DiscardPkt(char * pBuffer, int type)
参数：
pBuffer：指向被丢弃的 IPV4 分组头部
type：表示错误类型，包括 TTL 错误和找不到路由两种错误，定义如下：
STUD_FORWARD_TEST_TTLERROR STUD_FORWARD_TEST_NOROUTE




说明：
本函数是丢弃分组的函数，在接收流程中检查到错误时调用此函数将分组丢弃。
5） stud_route_add( )
void stud_route_add(stud_route_msg *proute)
参数：
proute ： 指向需要添加路由信息的结构体头部， 其数据结构
stud_route_msg 的定义如下：
typedef struct stud_route_msg
{
unsigned int	dest; unsigned int	masklen; unsigned int	nexthop;
} stud_route_msg;
说明：
本函数为路由表配置接口，系统在配置路由表时需要调用此接口。此函数功能为向路由表中增加一个新的表项，将参数所传递的路由信息添加到路由表中。
6） stud_Route_Init( ) void stud_Route_Init( ) 参数：
无。
说明：
本函数将在系统启动的时候被调用，学生可将初始化路由表的代码写在这里。
7） getIpv4Address( ) UINT32 getIpv4Address( ) 说明：
本函数用于获取本机的 IPv4 地址，学生调用该函数即可返回本机的
IPv4 地址，可以用来判断 IPV4 分组是否为本机接收。返回值：
本机 IPv4 地址。
除了以上的函数以外，学生可根据需要自己编写一些实验需要的函数和数据结构，包括路由表的数据结构，对路由表的搜索、初始化等操作函数。



6.实验报告
1) 要求给出路由表初始化、路由增加、路由转发三个函数的实现流程图；
2) 要求给出所新建数据结构的说明；
3) 请分析在存在大量分组的情况下如何提高转发效率，如果代码中有相关功能实现，请给出具体原理说明。