计算机网络原理 笔记 4

网络层

概述

网络层分为数据平面和控制平面
数据平面是将数据在输入链路和输出链路之间进行转发，控制平面是协调转发操作

转发和路由选择

• 转发：将数据报从输入链路转移到输出链路（数据平面）
• 路由选择：决定每个分组的路由（控制平面）
• 转发表：由路由选择确定，决定了转发的路由

确定转发表

• 传统方法：人工
• 路由器决定自身的转发表，但是需要路由器间的通信
• SDN：由远程控制器决定每个路由器的转发表

网络服务模型

可能的服务：

• 确保交付
• 时延上界
• 有序分组
• 最小带宽
• 安全性

尽力而为服务：不提供任何服务

工作原理

四个组件：

• 输入端口：查询转发表决定输出路由，并且将数据转移至交换结构
• 交换结构：连接输入端口与输出端口
• 输出端口：从建环结构获取数据并此昂输出链路传输
• 路由选择处理器：执行控制平面功能，计算转发表（通常是一种传统的CPU）

转发策略：

• 基于目的地转发
• 通用转发

输入端口处理和基于目的地转发

最简单的情况下，每一个目的地址有一个对应的链路接口对应，采用前缀匹配的方法与最长前缀匹配规则（同时匹配多个前缀的时候选择最长的那个），为了效率通常使用SRAM，DRAM，TCAM
排队是指不同输入端口的数据在进入交换结构时排队

交换

交换方式很多

• 内存：直接经由CPU控制，这导致了速率较慢（受到内存带宽的限制），并且不能同时转发多个分组
• 总线：每一段数据会加上一个标签用于标记输出端口，所有输出端口都能接收数据但是只有被标记的可以保存数据，速率受到总线速率的影响，并且不允许并发
• 互联网：如纵横式交换机，共$2N$条总线，当想从输入端口发送到特定输出端口时只需要闭合对应交点即可，不同输出端口的分组可以并行

输出端口

何处排队

输入排队

当交换结构的速率不够快的时候会发生，并且会有线路前部阻塞，即同一个输出端口队列中前部的分组被堵塞会导致后面的也被堵塞

如果分组到达速率达到容量的$58\%$，则输入队列会无限增长

输出排队

发送过快时会发生，采用丢弃新包或已有包来解决，同时有主动队列管理策略，如随机早期检测

传输顺序由分组调度决定

缓存的数量$B$与链路容量$C$的关系为：

$$B = \text{RTT} * C$$

分组调度

排队的分组怎么经过输出链路传输问题

• FCFS：先来先服务
• 优先权排队：被分类放入优先权类中，同一类中的分组采用FCFS，非抢占式优先权排队中，分组开始传输就不能被打断
• 循环和加权公平排队：分组会被分类，但是不同类之间是平等的，也即会依次循环发送每一个类中的队列头，当某个类为空（链路空闲）时立即寻找其下一个类，例如加权公平排队，每个类会分配一个权重，并且加权分类吞吐量

网际协议

IPv4

• 版本号：确定剩余解释方式
• 首部长度：确定载荷与选项的分隔
• 服务类型：区别不同类型IP数据报
• 数据报长度：首部 + 数据
• 标识、标志、片偏移：与分片有关
• 寿命（TTL）：确保数据报不会循环
• 协议：指定运输层协议
• 检验和：检测比特错误，求和取反码

IPv4分片

一个链路层帧能承载的最大数据量称为最大传送单元，限制着IP数据包长度，并且一段路径上的链路之间可能有不同协议不同的MTU，因此采用分片技术，每一个大数据报被分为若干片
标识、标志、片偏移三个字段用于分片，标志比特用于标记最后一个片，片偏移用于决定正确的顺序

IPv4编址

点分十进制记法：每个字节用十进制书写，不同字节用句点隔开，如$127.0.0.1$
具有相同前缀的一些主机或路由器可以连接形成子网

其中$223.1.1.0/24$代表前$24$为相同，$/24$为子网掩码

地址分配策略为无类别域间路由选择

地址聚合

得到地址

获取组织地址

由上游管理机构分配

获取主机地址

采用动态主机配置协议（又称即插即用或零配置），主机可以通过其来自动获取IP地址

• DHCP发现：主机发现能够交互的DHCP服务器，通过DHCP发现报文，由链路层进行广播
• DHCP提供：DHCP服务器回应一份DHCP提供报文，包含一些必要信息
• DHCP请求：客户选择一个服务器，向其发送DHCP请求报文
• DHCP ACK：服务器回应DHCP ACK报文

网络地址转换

在小型区域内合理使用一个IP地址的方法
NAT路由器是一个具有单一IP地址的打你设备，其中包含一张NAT转换表，用于将公网IP和端口转换为子网IP与端口

也即NAT用公网的端口进行寻址

中间盒

网络核心中的非交换机组成，包括NAT，流量负载均衡，流量防火墙等

IPv6

改动：

• 地址容量扩大：$32\rightarrow 128$，引入任播地址，将数据报交给一组主机中的任意一个
• 简化首部
• 流标签：发送方要求进行特殊处理的流

字段：

• 版本号，指明是IPv4还是IPv6
• 流量类型：同IPv4的TOS
• 下一个首部：运输层协议
• 跳限制：最多能经过的路由器数目

去除了分片，取而代之的是差错报文，即数据太大时会被直接丢弃，并且向发送方返回一个ICMP差错报文

IPv4迁移到IPv6

• 好笑版：宣布标志日
• 实用版：建隧道

隧道指两台IPv6路由器之间的IPv4路由器的集合，方法是将IPv6的整个数据报作为数据包裹在IPv4载荷中进行传输，并且在下一个IPv6节点进行解包

通用转发和SDN

匹配加动作转发表称为流表，每个表项包括：

• 首部字段值的集合
• 计数器集合
• 动作集合

匹配

对来自不同层次的协议首部的一部分字段进行匹配，允许通配，例如$192.118.*$将匹配所有$192.118$开头的IP地址

动作

• 转发：转发到特定端口、端口集合或其余所有端口
• 丢弃
• 修改字段：在被转发之前重写首部字段（IP协议不可重写）
• 封装并转发给远程控制器