HowTCP/IPWorks

　　Overthepastfewyears,oneofthemostwritten－aboutnetworktopicshasbeenIP.Butevenwithallthisattention,few,ifany,storieshavetracedtheprotocol/'sbasicworkings,thatis,howroutersandLayer3switchesactuponIPinformationtomoveEthernetpacketsacrossthenetwork.

　　Asapointofreferenced,bearinmindthatIPisamemberoftheTCP/IPprotocolsuite.

　　TCPfunctionsattheOpenSystemsInterconnection（OSI）transportlayer,orLayer4.Itschiefresponsibilityistoensurereliableend－to－endconnectivity.IP,locatedonelayerdown,attheOSInetworklayer,orLayer3,communicatestheaddressesofeachpacket/'ssenderandreceivertotheroutersalongtheway.RoutersandLayer3switchescanreadIPandotherLayer3protocols.Thisinformation,combinedwithroutingtablesandothernetworkintelligence,isallittakestogetacrosstheroomoraroundtheworldviaTCP/IP.

　　TheroutingprocessbeginswithanIPaddressthatisuniquetothesendingendstation.EndstationsmaybeassignedpermanentIPaddressesortheymayborrowthemasneededfromaDynamicHostConfigurationProtocol（DHCP）serverorotherservice.

　　Eachpacketcarriesasourceaddress,whichundercurrent（IPv4）specificationsis32bitslong.Initsheader,eachpacketalsocarriestheIPaddressofthefinaldestination.

　　Ifthesendingendstationdeterminesthatthedestinationaddressisnotlocal,thepacketgoestoafirst－hoprouter,typicallyonethatiscloseandhasbeenpreassignedtothesender.

　　Therouterinspectsthepacket/'sIPaddressandperformsaroutetablelookuptoseeifthedestinationendstationresidesonthelocal（physicallyconnected）network,typicallycalledanIPsubnet.AnIPsubnetusuallyisassignedtoeachoftherouter/'snetworkinterfaces.

　　IfthedestinationIPaddressislocal,theroutersearchesaninternalstoreofIPaddressesandlocal－deviceMediaAccessControl（MAC）addresses.ThisstoreisknownastheAddressResolutionProtocol（ARP）cache.ARPistheuniversaltoolformatchingIPaddressestoMACaddresses.Ifthedestination/'sMACaddressappears,therouterinstallsthatMACaddressinthepacketheader（removingitsownMACaddressbecausethat/'snolongerneeded）andsendsthepackettothedestinationendstation.

　　IntheeventthatthedestinationMACaddressdoesnotappearintheARPcache―itmighthavetimedout,forinstance―theroutermustbroadcastanARPrequesttothesubnetreferencedbythepacket/'sdestinationIPaddress.TheendstationwiththatIPaddressresponds,sendingbackitsMACaddress.Therouterupdatesitscache,installsthenewMACaddressintothepacketheaderandlaunchesthepacket.Iftheroutetablelookupshowsthatthepacketisdestinedforanon-localsubnet,therouterforwardsthepackettothenext－hoprouterusingthenext－hoprouter/'sMACaddress.Routingtablesarecontinuouslybuiltandrebuiltbyintelligentdiscoveryprotocols,suchasRoutingInformationProtocolorOpenShortestPathFirst（OSPF）.Eachrouter/'sroutingtableshowsthebestroutetothedestinationaddress;foraddressesthatmaybeseveralhopsaway,itshowsthebestnext－hoprouter.

　　在过去几年中，写得最多的网络题目之一就是IP。但是，即使引起了这么多的注意，仍很少有（如果有的话）文章介绍此协议的基本工作原理，即路由器和第三层交换器是如何对IP信息起作用，以便在整个网络中传递以太网包的。

　　作为参考，请记住，IP是TCP/IP整套协议中的一个协议。

　　TCP完成开放系统互连（OSI）模型中传输层，即第四层的功能。它的主要责任是确保端至端之间的可靠连接。IP位于下一层，在OSI的网络层，即第三层，把每个包的发送者和接收者地址告诉一路上各个路由器。路由器和第三层交换器可以读出IP和其他的第三层协议。这些信息与路由表以及其他网络智能结合在一起，能通过TCP/IP在整个房间或围绕地球进行传递。

　　路由过程始于对发送端站而言是唯一的一个IP地址，端站可以被分配永久的IP地址，或者按需要从动态主机配置协议（DHCP）服务器或其他服务中借用。

　　每个包携带一个源地址，在目前（IPv4）规范下，包长度是32位。在报头中，每个包也携带最终目的地的IP地址。

　　如果发送端站确定目的地址不在本地，该包就被送到第一跳路由器，一般来说，该路由器是在附近的，并已被预先分配给发送者。

　　该路由器检查包的IP地址，查找路由表，看看目的端点是否位于本地（物理位置）网络，它通常叫做IP子网，IP子网一般被分配到路由器的每个网络接口上。

　　如果目的IP地址为本地的，该路由器就搜寻存储着IP地址和本地设备介质访问控制（MAC）地址的内部存储器，这个存储器叫作地址分辨协议（ARP）高速缓存。ARP是把IP地址映射到MAC地址的通用工具。如果目的地的MAC地址出现了，该路由器就把这个MAC地址装进包的报头中（取掉自己的MAC地址，因为不再需要它了），把该包送到目的端站。

　　万一目的地的MAC地址没有出现在ARP高速缓存中（例如，有可能超时了），路由器必须向与包的目的IP地址有关的子网广播一个ARP请求，拥有此IP地址的端站就作出响应，把MAC地址发送回去，路由器因此更新高速缓存，把新的MAC地址装进包的报头并发送该包。

　　如果查找路由表显示包的目的地不在本地子网，路由器就利用下一跳路由器的MAC地址把包转发给下一跳路由器。路由表由智能发现协议，如路由信息协议或者开放最短路径优先协议，不断地被建立和再建立。每个路由器的路由表显示了到达目的地址的最佳路径，对于要有几跳的地址，它显示出最佳的下一跳路由器。