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计网

四.网络层-数据平面

1.导论

作用：规划路径，将数据传到下一个节点
网络层协议存在于每个主机和路由器
网络层实现了数据平面和控制平面：
数据平面决定从路由器输入端口到达的分组如何转发到输出端口
转发功能：

传统方式：基于目标地址+转发表
SDN方式：基于多个字段+流表

控制平面：网络范围内的逻辑，决定数据报如何在路由器之间路由，决定数据报从源到目标主机之间的端到端路径
两个控制平面方法：

传统的路由算法：在路由器中实现
software-defined-networking(SDN)：在远程的服务器中实现

2.路由器组成

路由器由输入端口、switch fabric、输出端口组成(实际上，输入端口和输出端口是集成在一起的)
路由：运行路由选择算法/协议生成路由表
从输入到输出链路交换数据报，根据路由表进行分组的转发

小框中的红框是网络层，左边是输入端口，右边是输出端口

输入端口功能：分布式交换
根据数据报头部的信息，在输入端口内存中的转发表中查找合适的输出端口
基于目标的转发：仅仅依赖于IP数据报的目标IP地址(传统方法)
通用转发：基于头部字段的任意集合进行转发

在网络层有一个队列，这个队列就是路由器的缓存，用于匹配在输入端口处的输入输出速度

交换结构：将分组从输入缓冲区传输到合适的输出端口
交换速率：分组可以按照该速率从输入传输到输出，运行速度通常是输入/输出链路的若干倍
3个典型的交换机构：memory、bus、crossbar

memory：第一代路由器，在CPU下的直接控制的交换，采用传统的计算机
分组被拷贝到系统内存，CPU从分组的头部提取出目标地址，查找转发表，找到对应的输出端口，拷贝到输出端口；转发速率被内存的带宽限制，一次只能转发一个分组

bus：第二代路由器，通过总线交换：数据报通过共享总线，从输入端口转发到输出端口，总线带宽由所有端口共享，通常需要仲裁机制来避免冲突
总线竞争：交换速度受限于总线带宽，一次只处理一个分组

crossbar：通过互联网的交换，同时并转发多个分组，没有总线带宽限制
使用一个矩阵式的交叉开关（Crossbar Switch）连接所有输入端口和输出端口，每个输入端口和输出端口之间都有一个独立的连接路径，可以同时传输多个数据包，需要调度算法来管理输入和输出端口之间的连接

调度机制：路由器通过算法决定下一个通过链路传输的分组
第一种：FIFO：先来先服务
第二种：优先权：优先发送高优先级的分组
第三种：Round Robin：每一类分组依次发，循环着发

3.IP

IP：Internet Protocol

分片和重组：网络链路有MTU(最大传输单元)，大的IP数据报在网络上要被分片，每片都有不同偏移量，重组只在最终目标主机中进行

IP地址：32位标识，对主机或者路由器的接口编址
一个IP地址和一个接口相关联而非一个主机
接口：主机/路由器物理链路的连接处
IP地址的高位bits是子网部分，低位是主机部分
子网：一个子网内的节点，他们的IP地址的高位部分相同，这些节点构成的叫子网；无须路由器介入，子网内各主机可以在物理上相互直接到达

IP地址分类：

目前，A、B类的IP都已经被分配完了，E类是备用的，D类IP地址通常用于多播通信，D类IP地址允许数据包被发送到多个接收者，而不是单个接收者。这在需要同时向多个设备传输相同数据时非常有用，比如视频会议、网络广播等

特殊IP地址：

子网部分：全0–本网络
主机部分：全0–本主机
主机部分：全1–广播地址，广播地址是计算机网络中的一种特殊IP地址，用于将信息发送到同一网络中的所有设备。它允许发送方向网络上的所有主机发送数据包，而无需指定每个主机的单独IP地址；在IPv4中，广播地址通常是在一个子网内的最高地址

内网(专用)IP地址：
专用地址：地址空间的一部分供专用地址使用，永远不会被当做公用地址来分配，不会与公用地址重复
路由器不对目标地址是专用地址的分组进行转发

IP编址：CIDR(classless InterDomain Routing)，无类域间路由
子网部分可以在任意的位置
地址格式：a.b.c.d/x，其中x是地址中子网号的长度

子网掩码（Subnet Mask）是一个用来划分IP地址中的网络部分和主机部分的工具
网掩码通过将网络部分的位设为1，而将主机部分的位设为0来划分网络和主机
子网掩码也可以用 CIDR表示法来表示，例如 /24 表示前24位是网络位

对于转发表中的每一个项，若(IP Des addr) & (mask) == destination，则表示对应的接口转发该数据报
如果没有找到，则使用默认表项转发数据报

主机如何获得一个IP地址：

如何获得一个网络的子网部分：

一个ISP如何获得一个地址块：

内网：

数据报在进出内网的时候需要替换掉源地址/目标地址和端口号
在NAT转换表中，路由器会记住每个替换对

内网穿越问题：
方案1：静态配置NAT，转发进来的服务器特定端口连接请求
方案2：UPnP IGD协议：允许内网主机可以获知网络的公共IP地址，列举存在的端口映射
方案3：中继：在NAT后面的服务器建立和中继的连接，外部的客户端连接到中继，中继在2个连接之间桥接

ipv6：32bit的地址空间将会被很快用完
数据报格式：固定的40字节头部，在传输过程中，不允许分片

IPv6原生支持多播
由于IPv6提供了足够的地址，理论上不再需要网络地址转换（NAT）
目前ipv6是部署在ipv4内部的，不想连的ipv6之间通过ipv4通信，将来ipv6会一步步代替掉ipv4

4.SDN

传统的IP网络除路由器外还需要很多网络设备，如防火墙、负载均衡设备等
并且在每个路由器上都实现了控制平面和数据平面，不方便维护和升级
所以提出了SDN：逻辑上集中的控制平面

SDN主要思路：将数据平面交给分组交换机，将控制平面交给控制器+网络应用
主要组件：

SDN控制器：中央管理单元，负责网络控制和策略下发
南向接口：控制器与网络设备通信的协议，如OpenFlow
北向接口：控制器与应用程序通信的API，支持网络服务的定制开发

五.网路层-控制平面

1.路由选择算法

汇集树：此节点到所有其他节点的最优路径构成的树
路由选择算法就是为所有路由器找到并使用汇集树

LS路由：各点通过各种渠道获得整个网络拓扑，网路中所有链路代价等信息，再使用LS路由算法，计算最优路径，得到路由表
LS路由工作基本过程：

发现相邻节点，获知对方网络地址
测量到相邻节点的代价
组装一个LS分组，描述它到相邻节点的代价情况
将分组通过扩散的方法发到其他所有路由器
通过Dijkstra算法找到最短路径

Dijkstra算法：

初始化：设置起点的最短距离为0，其他节点为无穷大（∞），所有节点标记为“未确定最短路径”
循环执行以下操作：从“未确定”的节点中，选择当前距离起点最近的节点（记为u），将u标记为“已确定”，对u的所有邻居节点v进行松弛操作：
若 distance[u] + weight(u, v) < distance[v]，则更新 distance[v] 为更小的值
终止条件：所有节点均被标记为“已确定”，或剩余未确定节点的距离均为∞（不可达）

计算从A到D的最优路径：
A的邻居是B、G，记录2、6，最小代价是2，取AB
B的邻居是C、E，记录9、4，最小代价是4，取ABE
E的邻居是F、G，记录6、5，最小代价是5，取ABEG
G的邻居是H，记录9，大于6，回到ABEF
F的邻居是C、H，记录9、8，最小代价是8，取ABEFH
H到D代价是2，记录10，大于9，回到ABEFC
C到D代价是3，记录12，回到ABC
ABCD代价是12，回到ABEFC，确定为最有路径

距离矢量算法(DV)：
所有节点交换其到邻居的代价，汇集成一个表，每次代价变化时，重新向邻居发送信息，然后更新表

距离矢量算法有好消息传得快，坏消息传得慢的特点，为了解决坏消息传得慢的缺点，推出了水平分裂算法

2.自治系统内部的路由选择

RIP(Rounting Information Protocol)协议：使用距离矢量算法
RIP通告：DV：在邻居间每30s交换通告报文，每个通告最多25个子网，最大跳数为16
链路失效和恢复：如果180s没有收到通告信息–>邻居或者链路失效，新的通告报文会传递给邻居
毒性逆转：防止失效的信息在环路中无限传输，思路：当路由器通过某个接口学习到一条路由时，它会通过同一接口向邻居路由器发送该路由的更新信息，但将这条路由的度量值设置为无穷大（即“不可达”），这样做的目的是告诉邻居路由器：“不要通过我到达这个网络”，从而避免形成路由环路

RIP进程处理：RIP以应用进程的方法实现route-d，通告报文通告UDP报文传送，周期性服务
网络层的协议使用了传输层的服务，以应用层实体的方式实现

OSPF(Open Shortest Path First)协议：使用LS算法，OSPF通告信息中携带每一个关于邻居路由器的表项
通告信息会传遍AS全部(通过泛洪)
OSPF的特性：

安全
允许多个代价相同的路径存在
对于每一个链路，对于不同的TOS有多重代价矩阵
对单播和多播的集成支持
在大型网络中支持层次性OSPF

由于一个平面路由在规模巨大的网络中的消耗太大，且有管理问题，所以有了层次性路由
层次路由：将互联网分成一个个AS(路由器区域)，每个AS有唯一标识
路由变成了两个层次路由：AS内部路由、AS间运行AS间路由协议
层次性OSPF：链路状态通告仅在本地区域内进行，每一个节点拥有本地区域的拓扑信息，要到其他区域的信息会由区域边界路由器发送给其他区域

区域边界路由器：汇总到自己区域网络的距离，向其他区域通告
骨干路由器：仅仅在骨干区域内，运行OSPF路由
边界路由器：连接其他的AS’s
IS-IS协议：几乎和OSPF一样

3.ISP之间的路由选择

互联网AS间路由：BGP(Border Gateway Protocol)
BGP提供给每个AS以以下方法：
eBGP：从相邻的ASes那里获得子网可达信息
iBGP：将获得的子网可达信息传遍到AS内部的所有路由器
根据子网可达信息和策略来决定到达子网的路径
基于距离矢量算法
BGP会话：2个BGP路由器在一个半永久的TCP连接上交换BGP报文
当通告一个子网前缀时，通告包括BGP属性
2个重要的属性：
AS-PATH：前缀的通告所经过的AS列表
NEXT-HOP：从当前AS到下一跳AS有多个链路，在NEXT-HOP中告诉对方通过哪个I转发
基于策略的路由：当一个网关路由器接收到了一个路由通告，使用输入策略来决定是否接收这个通告
策略也决定了是否向其他邻居通告这个路由信息

上图中，一般AS1的1c会选择接收AS3的3a的信息，因为路径代价较小，但是可能因为策略问题，其它代价大，所以反而会选择AS2的2a传来的信息
AS2的2a传来的也会携带自己子网的路由信息
内部网关协议更注重性能，外部更注重策略

4.SDN控制平面

软件定义的网络：SDN，在逻辑上集中控制平面，由一个(通常是远程的)控制器与本地控制代理(CAs)交互
SDN架构：数据平面交换机，流表被控制器计算和安装，基于南向接口API，SDN控制器访问基于流的交换机
也定义了和控制器的协议(Openflow)
SDN控制器(网路OS)：维护网络状态信息、通过上面的北向API和网络控制应用交互、通过下面的南向API和网络交换机交互，逻辑上集中，但实际上采用分布式方法实现

网络控制应用：控制的大脑，采用下层提供的服务实现网络功能
非绑定：可以被第三方提供

SDN比较前沿，未来可能会有变化

六.链路层

1.引论和服务

WAN（广域网）：网络形式采用点到点链路，带宽大、距离远、实现简单
LAN（局域网）：一般采用多点连接的方式，连接节点非常方便，实现链路层功能相当复杂

链路层提供的服务：
成帧：将数据报封装在帧中，加上帧头、帧尾部，如果采用的是共享性介质，信道接入获得信道访问权
在帧头部用MAC(物理)地址来标示源和目的
相邻节点完成可靠传输：在低出错率的链路(光纤和电缆)上很少使用，多用于无线链路
其它服务：流量控制、错误检测、差错纠正、半双工(可以双向传输但一次一个方向)和全双工

链路层在每一个主机上实现，功能在"适配器"上实现或者在一个芯片组上实现(以太网卡)

2.差错检测和纠正

简单的差错检测：奇偶校验，能检测单个bit的错误
二维的奇偶校验：将数据排成方形矩阵，算每行每列的和，可以精确找到错误的位置

CRC(循环冗余校验)：
生成多项式：收发双方预定义的一个多项式，如CRC-3表示 $x^3 + x + 1$ ，二进制数为1011
计算过程：

数据补零：在数据末尾补上k个0(k为生成多项式位数-1)，如1001补位后为1001000
模2除法(异或运算)：补零后的数据的1位与生成多项式依次异或
如1001000^1011->100001011->0110，取后三位110(因为生成多项式是4位)，得到校验码110
附加校验码：发送方发送的完整的数据1001000110