子网情况下的广播

1. 介绍

在高速局域网中使用广播是一种通常的作法。因为IP中未指出广播的通用标准，因此协议实现者也就无法使用它了。这里我们考虑的是不可靠的，非串行的，包可重复的广播。我们假设数据链路层支持有效的广播，通常的网络如以太网，令牌网都支持广播。我们不能假设广播传输是可靠的，因为这样做代价太大，但我们假定主机发出的广播大部分还是能够到达目的地的。因为广播会对网络造成过大的负担，因此不能无限制地使用。

2. 为何采用广播

广播在主机不知道消息发送者的位置时是有用的，广播在主机需要为许多机器提供数据时也有作用。主机需要的信息可能在它的邻居中，它可以一一询问而得知，而把这些主机的地址固定存储是不合适的，因为主机的邻居可能会变化，这对管理是一个学生的负担。而对所有邻居的地址进行一一询问简直不可能，因为需要询问的主机的数目会太多。使用广播就不会出现这种问题。在主机需要邻居的信息时广播有用，当主机有信息需要向邻居传送时广播也很有用，例如网关就可以通过广播告知邻近的网关它的存在。我们会认为组播可能会代替广播，但是广播在硬件一层（或低层是进行的），而上层软件将不必要的信息过滤掉达到的效果就是组播。

3. 广播级别

有下面几种IP广播：

• 在本地网上进行单目的地广播：发送主机知道目的机地址，但在数据链路层进行广播，这是可能是为了避免进行路由。因为不是IP广播，所以IP层不需要介入。
• 在本地网上对所有主机进行广播：IP的主机号部分可以指定一个特定的值，这个值指出是广播。接收IP必须能够识别这个地址和它本身原有的地址。这是最常用的一种广播形式，它也是ARP，名字服务器，时间服务器等运作的基础。
• 对远程网的所有主机进行广播：它的机制和本地广播差不多，数据报在到达此网的网关前还是象平常一样传输，到达网关后再进行广播。
• 多子网广播：可以使用IP地址子网号表示这种广播。它的工作原来和对一个远程网进行广播相同，不过是对多个子网而已。
• 向整个Internet广播：这种广播可能根本没有用，而且也不会有人使用。

因为安全和效率的考虑，网关可以不转发广播，在自治系统中最好不要转发广播。

4. 广播方法

主机的IP接收层必须能够支持广播。有了广播机制，主机必须能够对接收到的数据报中的目的地址进行比较，看和自己的IP地址是不是一样，而且还必须能够知道这个地址是不是个广播地址，如果是也要接收。因为在数据链路层已经解决了广播问题，所以IP层主机如果需要广播只要发出带有广播地址的包就行了。网关上的算法要复杂一些。

但是在有子网的网络内进行广播可能比较麻烦。即使如此，也有相应的算法解决这个问题，而且不怎么费事。一个好的广播方法要达到下面几个条件：

• 不改变IP数据报格式
• 在进行多复本传输和路由选择时代价不能太大
• 对网关的改变要小
• 传输机制一致

对于算法来说，RPF（Reverse Path Forwarding）比较合适。RPF在代价和可靠性上是中等的，易于实现，而且不需要，对网关修改也比较少。

5. 网关与广播

5.1. 本地广播

在网关接收到本地广播时，它需要做一些工作，虽然简单，可如果处理不好会造成无限循环。正确处理有赖于下面几项：子网，目标网络，网关地址。

• 基本的方法就是不要向接收到广播的硬件地址再发广播了，可是这还不够 ，如果一个网络中有多个网关，可能会造成广播永远不会停止
• 如果数据报在硬件网络（也就是低层）上被接收，不应该转发，网关应该把自己看做是数据报的目的地。
• 如果数据报未在硬件网络上被接收，而且数据报地址来自于网关相邻的网络上，网关应该在数据链路层上进行广播，网关自己应该被看作是数据报接收的目的地
• 如果数据报的目的地在远方网络，网关只需要象平常一样转发这个包到下一个网关就是了

5.2. 多子网广播

如果网关接收到需要所有子网都接收到的广播，它必须使用RPF。RPF也不复杂，具体情况如下：当且仅当数据报接收到的连接是网关到数据报源的最佳路由时，网关在所有连接上转发数据报的复本；否则抛弃数据报。RPF还有优化算法，这里就不讨论了。

5.3. Pseudo-Algol路由算法

这个算法应该在网关上实现，它的具体算法如下所示：（下表中表示的是一些定义）

BEGIN
   IF Destination.ipnet IN AllLinks THEN
      BEGIN
         IF IsSubnetted(Destination.ipnet) THEN
            BEGIN
               IF Destination.subnet = BroadcastSubnet THEN
                  BEGIN      /* 使用RFP方法 */
                     IF IncomingLink = RouteLink(Source) THEN
                        BEGIN IF Destination.host = BroadcastHost THEN
                              OutgoingLinkSet <- AllLinks -
                           IncomingLink;
                           OutgoingHost <- BroadcastHost;
                           Examine packet for possible internal use;
                        END
                     ELSE  /* 从其它网关接收到相同复本，抛弃 */
                        Discard;
                  END
               ELSE
                  IF Destination.subnet = IncomingLink.subnet THEN
                     BEGIN           /* 转发会引起回路 */
                        IF Destination.host = BroadcastHost THEN
                           Examine packet for possible internal use;
                        Discard;
                     END
                  ELSE BEGIN    /* 转发到子网 */
                        OutgoingLinkSet <- RouteLink(Destination);
                        OutgoingHost <- RouteHost(Destination);
                     END
            END
         ELSE BEGIN         /* 发送到本地子网 */
               IF Destination.ipnet = IncomingLink.ipnet THEN
                  BEGIN              /* 转发会引起回路 */
                     IF Destination.host = BroadcastHost THEN
                        Examine packet for possible internal use;
                     Discard;
                  END
               ELSE BEGIN                     /* 可能是一个广播 */
                     OutgoingLinkSet <- RouteLink(Destination);
                     OutgoingHost <- RouteHost(Destination);
                  END
            END
      END
   ELSE BEGIN                    /* 转发到本地非IP网络 */
         OutgoingLinkSet <- RouteLink(Destination);
         OutgoingHost <- RouteHost(Destination);
      END
   OutgoingHardwareHost <- ResolveAddress(OutgoingHost);
END

6. IP广播地址规范

如果不同的IP实现能够兼容，必须有规则可以区别所有主机和所有子网。因为本地网络层可以映射IP地址到数据链路层地址，选择IP广播主机号则是比较直接的。简单起见，可以把一个别的机器不用的地址用于广播主机号。全1地址可以。全部子网号也是全1的，因为主机在发送广播到远程网络时并不关心那个网络分不分子网。而255.255.255.255表示本地硬件地址广播，不能进行转发。因此，一台在网络号为36的网络上的主机可以

• 向255.255.255.255发包达到向相邻主机广播的目的
• 向36.255.255.255发包达到向36网络上所有子网进行广播的目的