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计算机网络笔记04A：网络层-数据平面

Posted by LiYixian on Wednesday, November 15, 2023 | 阅读 | 共 2233 字，阅读约 5 分钟

Summary:

  • 网络层概述
  • 路由器工作原理
  • 网际协议：IPv4、网络地址转换、IPv6

网络层概述

网络层的作用是将 packet 从发送主机移动到接收主机。

  1. 转发 forwarding，数据平面实现
  2. 路由选择 routing，控制平面实现，确定 packet 从源到目的地的路径

每台路由器中有一个转发表 forwarding table，路由器检查到达的 packet header 的字段值，将其在转发表中索引，确定输出链路接口。
转发表是如何配置的？

  1. 路由选择算法：每个路由器都有一个路由选择组件，可以互相通信
  2. SDN (Software-Defined Networking)方法：远程控制器计算和向路由器分发转发表

网络服务模型 network service model
确保交付、latency 上界、有序、最小带宽、安全性, etc

路由器工作原理

路由器的 4 个组件：

  • 输入端口：执行物理层和链路层功能；查找转发表决定输出端口
  • 交换结构
  • 输出端口
  • 路由选择处理器：执行路由选择协议、计算转发表，或（在 SDN 中）和远程控制器通信
  1. 输入端口
    路由器有 n 条链路，规定每个链路接口负责一个目的地址范围内所有 packet 的转发；路由器用 packet 目的地址前缀与表项进行匹配（多个匹配时使用最长前缀匹配规则），确定输出端口。
    此后，还需要检查 packet 的版本号、检验和和 TTL，并且重写后两个字段；
    最后，发送 packet 进入交换结构，如果其他输入端口的 packet 正在使用交换结构，可能就会出现阻塞-排队。
  2. 交换：经内存/总线/互联网络交换
  3. 排队
    输入和输出端口都可能排队，队列增长到一定地步，路由器缓存用尽，无法存储到达的 packet，就会丢包
    丢包和标记策略：主动队列管理 AQM 算法
  4. 分组调度：FCFS (FIFO) / priority queuing / 循环和加权公平排队

网际协议：IPv4/IPv6

IPv4 数据报格式：

  • 服务类型 TOS：使不同类型的 IP datagram 能分开，提供特定等级的服务
  • 标识符、标志、分片偏移：和 IP 分片有关，IPv6 不允许在路由器上分片
  • 协议：datagram 到达目的地后，数据部分应该交给哪个特定的运输层协议

分片

一个链路层帧能承载的最大数据量 Maximum Transmission Unit (MTU) 限制了 IP datagram 的长度，但路径上每段链路可能有不同的链路层协议和不同 MTU
solution：将 datagram 分成片 fragment，用单独的链路层帧封装后发送，到达目的地运输层前再在主机中重组

  • 同一个 datagram 的每个片有相同的标识号
  • 最后一片的标志 bit=0，其他片的标志 bit=1
  • 偏移字段指定该片应该放在 datagram 的哪个位置

IPv4 地址

一台主机只有一条链路连接到网络，路由器有多条链路，主机/路由器和链路之间有接口 interface
一个 IP 地址实际上和一个接口相关联，而不是和该接口的主机/路由器相关联。

IP 地址是 32 bit 的二进制数字，分为四个 8 bit 部分，由十进制书写
每个接口都有唯一的 IP 地址，由其连接的子网决定
IP 地址分为网络号 net-id 和主机号 host-id 部分，位于同一个物理网络、网络号相同的设备接口的网络形成一个子网 subnet
e.g. 所有形如 223.1.1. xxx 的 IP 地址接口形成一个子网，其地址为 223.1.1.0/24

其中 /24 称为子网掩码 network mask，指示 32bit 中最左侧 24bit 定义了子网地址，右侧 32-24=8bit 定义子网内部有 2^8 个地址。
子网掩码写成 32 位地址：

这样，要想找到某个 IP 地址的子网，要将其和路由表中所有的掩码做按位与运算，如果结果等于掩码对应的子网地址（网络号），它就属于这个子网。

子网是如何寻址的？
无类地址划分 Classless Inter-Domain Routing：形如 a.b.c.d/x 的 IP 地址的 x 最高比特构成其网络号，也称作该地址的（网络）前缀 prefix
一个组织通常会被分配前缀相同的地址，组织外部的路由器转发表仅考虑其前缀，内部路由器才会考虑剩余的 32-x bit
分类编址 classful addressing：网络号被限制为 8/16/24 bit，称为 A/B/C 类网络

另外，注意一些特殊的 IP 地址：

一台设备（如主机）是如何获取一个 IP 地址的？

  1. 子网从 ISP 获取一组地址
  2. 获取主机地址
    • 静态：申请固定 IP 地址，手动配置
    • 动态：动态主机配置协议 Dynamic Host Configuration (DHCP)
      • 主机每次和网络连接时，自动分配到一个 IP 地址
      • 主机还可以得到其他信息，如子网掩码、第一跳路由器地址（默认网关）、本地 DNS server 地址

DHCP 是一个 client-server 协议，client 即主机
给 client 分配地址的 4 个步骤：

  1. DHCP discover：主机从标识本机地址向限制广播地址发送，即在本子网广播
  2. DHCP offer：（可能是多个）DHCP server 广播响应，提供推荐的 IP 地址、子网掩码和 IP 地址有效时间
  3. DHCP request：client 从多个 server 中选择一个，响应，回显配置参数
  4. DHCP ACK

网络地址转换

网络地址转换 Network Address Translation (NAT)：私有 IP 地址和公网 IP 地址的交互
NAT 路由器类似具有单一 IP 地址的单一设备，使路由器对外界隐藏了家庭网络的细节，所有离开和进入家庭网络的 message 都有同一个源/目的 IP 地址。

在内部借助端口号寻址：每次 NAT 路由器从内部主机向外转发时，都给它分配一个新的源端口号，将它的 IP 地址和转换前后的端口号填入 NAT 转换表的表项里；向内转发时，通过 NAT 转换表确定要转发给哪个内部主机
e.g. 专用地址 10.0.0.1，源端口号 3345，路由器分配新的源端口号 5001，向外转发；向内转发时读到目的端口号 5001，查表得到专用地址和目的端口号 3345。

IPv6 地址

IPv4 的地址空间要用尽了，因此开发了 IPv6

改进：地址容量 32->128；简化 40-bits 基本 header；流标签，可以为一条 flow 中对某些 datagram 赋予优先权，或者对来自某些应用的赋予更高优先权
一个基本 header、多个扩展 header (optional)

IPv6 地址表示为 8 组 16 进制字段，每个字段 0000~FFFF
-> 压缩：地址段中有时会出现连续的几组 0，可以用“::”代替，但一个地址中只能出现一次。 e.g.FF01:0:0:0:0:0:0:101=FF01::101

通用转发和 SDN

传统路由器的转发仅基于 packet 的目的 IP 地址（匹配 + 动作）；而通用转发可以匹配 header 的多个字段，动作也不限于转发

流表 flow table：匹配 + 动作转发表，表项包括 header 字段值集合、counter（匹配的 packet 数量）、采取的动作集合

  • 转发
  • 负载均衡
  • 重写 header（NAT）
  • 阻挡或丢包（防火墙）
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