[网络协议]计算机网络（中科大郑烇）第四章笔记

第四章 网络层：数据平面

1、导论

1.1 网络层：数据平面

1. 本章目标：
   • 理解网络服务的基本原理，聚焦于其数据平面
     • 网络服务模型
     • 转发和路由
     • 路由器工作原理
     • 通用转发
   • 互联网中网络层协议的实例和实现
2. 网络层服务

• 在发送主机和接收主机对之间传送段（segment）
• 在发送端将段封装到数据报中
• 在接收端，将段上交给传输层实体
• 网络层协议存在于每一个主机 和路由器
• 路由器检查每一个经过它的IP数据报的头部

3. 网络层的关键功能

   网络层功能：

   • 转发：将分组从路由器的输入接口转发到合适的输出接口

   • 路由：使用路由算法来决定分组从发送主机到目标接收主机的路径

     • 路由选择算法
     • 路由选择协议
       ? 路由的类比：

   • 转发:通过单个路口的过程

   • 路由:从源到目的的路由路径规划过程

1.2 网络层：数据平面、控制平面

1. 数据平面
   • 本地，每个路由器功能
   • 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
2. 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
   • 2个控制平面方法:
     • 传统的路由算法: 在路由器 中被实现
     • software-defined networking (SDN): 在远程的服务器中 实现

1.3 网络层：控制平面

1. 传统方式：每一路由器(per-router)控制平面

   在每一个路由器中的单独路由器算法元件，在控制平面进行交互

   

2. 传统方式：路由和转发的相互作用

   

3. SDN方式：逻辑集中的控制平面

   一个不同的（通常是远程的）控制器与本地控制代理（CAs)

   

4. 网络服务模型

   Q:从发送方主机到接收方主机传输数据报的“通道” ，网络提供什么样的服务模型？

   对于单个数据报的服务:

   • 可靠传送
   • 延迟保证，如：少于 40ms的延迟

   对于数据报流的服务:

   • 保序数据报传送
   • 保证流的最小带宽
   • 分组之间的延迟差

5. 连接建立

   • 在某些网络架构中是第三个重要的功能
     • ATM, frame relay, X.25
   • 在分组传输之前，在两个主机之间，在通过一些 路由器所构成的路径上建立一个网络层连接
     • 涉及到路由器
   • 网络层和传输层连接服务区别:
     • ==网络层：==在2个主机之间，涉及到路径上的一些路由器
     • ==传输层：==在2个进程之间，很可能只体现在端系统上 (TCP连接)

2、路由器组成

2.1 路由器结构概述

高层面（非常简化的）通用路由器体系结构

1. 路由：运行路由选择算法/协议（RIP,OSPF,BGP)-生成路由表
2. 转发：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

2.2 输入端口功能

2.3 最长前缀匹配

1. 我们将会在学习IP地址时，简单讲解为什么要 采用最长前缀匹配
2. 最长前缀匹配：在路由器中经常采用TCAMs( ternary content addressable memories)硬件来完成
   • 内容可寻址：将地址交给TCAM，它可以在一个时 钟周期内检索出地址，不管表空间有多大
   • Cisco Catalyst系列路由器: 在TCAM中可以存储多达约为1百万条路由表项

2.4 输入端口缓存

1. 当交换机构的速率小于输入端口的汇聚速率时， 在输入端口可能要排队

   • 排队延迟以及由于输入缓存溢出造成丢失!

2. Head-of-the-Line (HOL) blocking: 排在队头的数据报 阻止了队列中其他数据报向前移动

   

2.5 交换结构

1. 将分组从输入缓冲区传输到合适的输出端口

2. 交换速率：分组可以按照该速率从输入传输到输出

   • 运行速度经常是输入/输出链路速率的若干倍
   • N 个输入端口：交换机构的交换速度是输入线路速度的N倍比较理 想，才不会成为瓶颈

3. 3种典型的交换结构

   

4. 通过内存交换

   第一代路由器：

   • 在CPU直接控制下的交换，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 (数据报通过BUS两遍)
   • 一次只能转发一个分组

   

5. 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
   • 总线竞争: 交换速度受限于总线带宽
   • 1次处理一个分组
   • 1 Gbps bus, Cisco 1900； 32 Gbps bus, Cisco 5600；对于接入或企业级路由器，速度足够（但不适合区域或骨干网络）

   

6. 通过互联网络（crossbar等）的交换

   • 同时并发转发多个分组，克服总线带宽限制
   • Banyan（榕树）网络，crossbar(纵横) 和其它的互联网络被开发，将多个处理器连接成多处理器
   • 当分组从端口A到达，转给端口Y；控 制器短接相应的两个总线
   • 高级设计：将数据报分片为固定长度的 信元，通过交换网络交换
   • Cisco12000：以60Gbps的交换速率通过互联网络

2.6 输出端口

数据报（分组）可能被丢弃，由于拥塞，缓冲区没有空间

1. 当数据报从交换机构的到达速度比传输速率快 就需要输出端口缓存

2. 由调度规则选择排队的数据报进行传输

3. 输出端口排队

   

   • 假设交换速率Rswitch是Rline的N倍（N：输入端口的数量)
   • 当多个输入端口同时向输出端口发送时，缓冲该分组（当通 过交换网络到达的速率超过输出速率则缓存）
   • 排队带来延迟，由于输出端口缓存溢出则丢弃数据报！

2.7 调度机制

1. ==调度：==选择下一个要通过链路传输的分组

2. FIFO (first in first out)scheduling: 按照分组到来的次序发送

   • 丢弃策略:如果分组到达一个满的队列，哪个分组将会 被抛弃?
     • tail drop:丢失刚到达的分组
     • priority:根据优先权丢失/移除分组
     • random:随机的丢失/移除

3. 调度策略：优先权

   ==优先权调度：==发送最高优先权的分组

   1. 多类，不同类别有不同的 优先权
      • 类别可能依赖于标记或者其 他的头部字段, e.g. IP source/dest, port numbers, ds，etc.
      • 先传高优先级的队列中的分 组，除非没有
      • 高（低）优先权中的分组传 输次序：FIFO

4. 调度策略：其他的

   1. 多类
   2. 循环扫描不同类型的队列, 发送完一类的一个分组 ，再发送下一个类的一个分组，循环所有类

3、IP:Internet Protocol

3.1 数据报格式

1. 互联网的网络层

   主机，路由中的网络层功能

   

2. IP数据报格式

   

3.2 分片和重组

1. 网络链路有MTU (最大传输单元) –链路层帧所携带的最大数据长度
   • 不同的链路类型
   • 不同的MTU
2. 大的IP数据报在网络上被分片 (“fragmented”)
   • 一个数据报被分割成若干个小的数据报
     • 相同的ID
     • 不同的偏移量
     • 最后一个分片标记为0
   • “重组”只在最终的目标主机 进行
   • IP头部的信息被用于标识，排序相关分片
3. 

3.3 IPV4地址

1. IP编址：引论

   • IP 地址: 32位标示，对 主机或者路由器的接口编址

   • ==接口：==主机/路由器和物理链路的连接处

     • 路由器通常拥有多个接口
     • 主机也有可能有多个接口
     • IP地址和每一个接口关联

     一个IP地址和一个接口相关联

2. 子网（Subnets)

   • IP地址：
     • 子网部分(高位bits)
     • 主机部分（低位bits)
   • 什么是子网(subnet) ?
     • 一个子网内的节点（主机或者路由器）它们的IP地址的高位部分相同 ，这些节点构成的网络的一部分叫做子网
     • 无需路由器介入，子网 内各主机可以在物理上 相互直接到达
   • 
   • 判断方法：
     • 要判断一个子网, 将每一 个接口从主机或者路由 器上分开,构成了一个个 网络的孤岛
     • 每一个孤岛（网络）都是一个都可以被称之为 subnet.
     • 子网掩码：11111111 11111111 11111111 00000000
     • Subnet mask:/24

3. IP地址分类

   • Class A：126 networks ，16 million host
   • Class B：16382networks ，64 K hosts
   • Class C：2 million networks ，254 host
   • Class D：multicast
   • Class E：reserved for future

?

4. 特殊IP地址

   • 一些约定：
     • 子网部分：全为0–本网络
     • 主机部分：全为0–本主机
     • 主机部分：全为1–广播地址，这个网络的所有主机

5. 内网（专用)IP地址

   • 专用地址：地址空间的一部份供专用地址使用
   • 永远不会被当做公用地址来分配, 不会与公用地址重复
     • 只在局部网络中有意义，区分不同的设备
   • 路由器不对目标地址是专用地址的分组进行转发
   • 专用地址范围
     • Class A 10.0.0.0-10.255.255.255 MASK 255.0.0.0
     • Class B 172.16.0.0-172.31.255.255 MASK 255.255.0.0
     • Class C 192.168.0.0-192.168.255.255 MASK 255.255.255.0

6. IP编址：CIDR

   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
   • 200.23.16.0/23
   • 子网掩码：11111111 11111111 11111110 00000000

7. 子网掩码（subnet mask）

   • 32bits , 0 or 1 in each bit
     • 1: bit位置表示子网部分
     • 0:bit位置表示主机部分
   • 原始的A、B、C类网络的子网掩码分别是
     • A：255.0.0.0 ：11111111 00000000 0000000 00000000
     • B：255.255.0.0：11111111 11111111 0000000 00000000
     • C：255.255.255.0：11111111 11111111 11111111 00000000
   • CIDR下的子网掩码例子：
     • 11111111 11111111 11111100 00000000
   • 另外的一种表示子网掩码的表达方式
     • 例：/22：表示前面22个bit为子网部分

8. 转发表和转发算法

   

   • 获得IP数据报的目标地址
   • 对于转发表中的每一个表项
     • 如 (IP Des addr) & (mask)== destination, 则按照表项 对应的接口转发该数据报
     • 如果都没有找到,则使用默认表项转发数据报

9. 如何获得一个IP地址

   Q:主机如何一个IP地址?

   • 系统管理员将地址配置在一个文件中
     • UNIX:/etc/rc.config
   • DHCP:Dynamic Host Configuration Protocol:从服务器中动态获得一个IP地址

3.4 DHCP:Dynamic Host Configuration Protocol

1. ==目标：==允许主机在加入网络的时候，动态地从服务器那里获得IP地址：

   • 可以更新对主机在用IP地址的租用期-租期快到了
   • 重新启动时，允许重新使用以前用过的IP地址
   • 支持移动用户加入到该网络（短期在网）

2. DHCP工作概况：

   • 主机广播“DHCP discover” 报文[可选]
   • DHCP 服务器用 “DHCP offer”提供报文响应[可选]
   • 主机请求IP地址：发送 “DHCP request” 报文
   • DHCP服务器发送地址：“DHCP ack” 报文

3. DHCP client-server scenario

   

4. DHCP:不仅仅是IP addresses

   DHCP 返回:

   • IP 地址
   • 第一跳路由器的IP地址（默认网关）
   • DNS服务器的域名和IP地址
   • 子网掩码 (指示地址部分的网络号和主机号)

5. DHCP:实例

   

   • 联网笔记本需要获取自己的IP地址，第一跳路由器地址和DNS服务器：采用 DHCP协议
   • DHCP 请求被封装在UDP段中, 封装在IP数据报中，封装在以太网的帧中
   • 以太网帧在局域网范围内广 播 (dest: FFFFFFFFFFFF) ,被运行DHCP服务的路由器收到
   • 以太网帧解封装成IP，IP 解封装成UDP，解封装成 DHCP
   • DHCP服务器生成DHCP ACK， 包含客户端的IP地址，第一 跳路由器的IP地址和DNS域 名服务器的IP地址
   • DHCP服务器封装的报文所在 的帧转发到客户端，在客户 端解封装成DHCP报文
   • 客户端知道它自己的IP地 址，DNS服务器的名字和IP 地址，第一跳路由器的IP地址

6. 如何获得一个IP地址

   Q:如何获得一个网络的子网部分?

   A：从ISP获得地址块中分配一个小地址块

   

7. 层次编址: 路由聚集（route aggregation）

   

   

8. IP编址：如何获得一块地址

   Q:一个ISP如何获得一个地址块?

   A：: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers

   • 分配地址
   • 管理DNS
   • 分配域名，解决冲突

3.5 NAT:Network Address Translation

1. NAT:

   

2. ==动机：==本地网络只有一个有效IP地址：

   • 不需要从ISP分配一块地址，可用一个IP地址用 于所有的（局域网）设备–省钱
   • 可以在局域网改变设备的地址情况下而无须通知外界
   • 可以改变ISP（地址变化）而不需要改变内部的 设备地址
   • 局域网内部的设备没有明确的地址，对外是不可 见的–安全

3. ==实现：==NAT路由器必须：

   • 外出数据包：替换源地址和端口号为NAT IP地址 和新的端口号，目标IP和端口不变 …远端的C/S将会用NAP IP地址，新端口号作为目标地址

   • 记住每个转换替换对（在NAT转换表中）

     …源IP，端口 VS NAP IP ,新端口

   • 进入数据包：替换目标IP地址和端口号，采用存储在NAT表中的mapping表项，用（源IP，端口）

4. 

5. NAT:

   • 16-bit端口字段:
     • 6万多个同时连接，一个局域网!
   • 对NAT是有争议的:
     • 路由器只应该对第3层做信息处理，而这里对端口号（4层）作了处理
     • 违反了end-to-end 原则
       • 端到端原则：复杂性放到网络边缘
         • 无需借助中转和变换，就可以直接传送到目标主机
       • NAT可能要被一些应用设计者考虑, eg, P2P applications
       • 外网的机器无法主动连接到内网的机器上
     • 地址短缺问题可以被IPv6 解决
     • NAT穿越:如果客户端需要连接在NAT后面的服务器，如何操作

6. NAT 穿越问题

   • 客户端需要连接地址为 10.0.0.1的服务器
     • 服务器地址10.0.0.1 LAN本地地 址 (客户端不能够使用其作为目标地址)
     • 整网只有一个外部可见地址: 138.76.29.7
   1. 方案1: 静态配置NAT：转发进来的对服务器特定端口连接请求
      • e.g., (123.76.29.7, port 2500) 总是转发到10.0.0.1 port 25000
   2. 方案2: Universal Plug and Play (UPnP) Internet Gateway Device (IGD) 协议. 允许 NATted主机可以：
      • 获知网络的公共 IP地址 (138.76.29.7)
      • 列举存在的端口映射
      • 增/删端口映射 (在租用时间内）
   3. 中继（used in Skype)
      • NAT后面的服务器建立和中继的连接
      • 外部的客户端链接到中继
      • 中继在2个连接之间桥接
      • 

3.6 IPv6

1. IPv6：动机

   • ==初始动机：==32-bit地址空间将会被很快用完
   • 另外的动机:
     • 头部格式改变帮助加速处理和转发
       • TTL-1
       • 头部checksum
       • 分片
     • 头部格式改变帮助QoS
   • IPv6数据报格式：
     • 固定的40 字节头部
     • 数据报传输过程中，不允许分片

2. IPv6 头部（Cont)

   • ==Priority:==标示流中数据报的优先级

   • Flow Label: 标示数据报在一个“flow.” ( “flow”的概念没有被严格的定义)

   • Next header: 标示上层协议

   

3. 和IPv4的其它变化

   • Checksum: 被移除掉，降低在每一段中的处理 速度
   • Options: 允许，但是在头部之外, 被 “Next Header” 字段标示
   • ICMPv6: ICMP的新版本
     • 附加了报文类型, e.g. “Packet Too Big”
     • 多播组管理功能

4. 从IPv4到IPv6的平移

   • 不是所有的路由器都能够同时升级的
     • 没有一个标记日 “flag days”
     • 在IPv4和IPv6路由器混合时，网络如何运转?
   • 隧道: 在IPv4路由器之间传输的IPv4数据报中携 带IPv6数据报
   • 

   隧道：在最开始IPv4主流的时候，使用IPv6的子网就像是一个一个的孤岛，相互之间的信息交流就像是IPv4的的小船载着IPv6的信息，慢慢的IPv6覆盖的范围越来越大，IPv4逐步呗替代

4、通用转发和SDN

4.1 网络层

1. 网络层功能为例的数据平面和控制平面

   网络层功能：

   • 转发：对于从某个端口到来的分组转发到合适的输出端口
   • ==路由：==决定分组从源端到目标端的路径
     • 路由算法

   类比：旅游

   • ==转发：==一个多岔路口的进入和转出过程
   • ==路由：==规划从源到目标的旅游路径

2. 网络层: 数据平面和控制平面

   数据平面

   • 本地的、每个路由器的功能
   • 决定某个从某个端口进入的分组从从哪个端口输出
   • 转发功能

   控制平面

   • 网络范围的逻辑
   • 决定分组端到端穿行于各个路 由器的路径

3. 每个路由器（Per Rounte)的控制平面

   每个路由器上都有实现路由算法元件（它们之间需要相互交 互）- 形成传统IP实现方式的控制平面

   

4. 数量众多、功能各异的中间盒

   • 路由器的网络层功能：
     • IP转发：对于到来的分组按照路由表决定如何转发，数 据平面
     • 路由：决定路径，计算路由表；处在控制平面
   • 还有其他种类繁多网络设备（中间盒）：
     • 交换机；防火墙；NAT；IDS；负载均衡设备
     • 未来：不断增加的需求和相应的网络设备
     • 需要不同的设备去实现不同的网络功能
       • 每台设备集成了控制平面和数据平面的功能
       • 控制平面分布式地实现了各种控制平面功能
       • 升级和部署网络设备非常困难

5. 网络设备控制平面的实现方式特点

   • 互联网网络设备：传统方式都是通过分布式，每台设备的方法来实现数据平面和控制平面功能

     • 垂直集成：每台路由器或其他网络设备，包括：

       • 硬件、在私有的操作系统
       • 互联网标准协议（IP,RIP,IS-IS,OSPF,BGP)的私有实现
       • 从上到下都有一个厂商提供*代价大，被设备上“绑架”）

     • 每个设备都实现了数据平面和控制平面的事情

       • 控制平面的功能是分布式实现的

     • 设备基本上只能（分布式升级困难）按照固定方式工作， 控制逻辑固化。不同的网络功能需要不同的

       “middleboxes”：防火墙、负载均衡设备、NAT boxes,。。。

   • （数据+控制平面）集成>（控制逻辑）分布->固化

     • 代价大；升级困难；管理困难等

6. 传统方式实现网络功能的问题

   • 问题：
     • 垂直集成>昂贵、不便于创新的生态
     • 分布式、固化设备功能==网络设备种类繁多
       • 无法改变路由等工作逻辑，无法实现流量工程等高级特性
       • 配置错误影响全网运行；升级和维护会涉及到全网设备：管理困难
       • 要增加新的网络功能，需要设计、实现以及部署新的 特定设备，设备种类繁多
   • ~2005: 开始重新思考网络控制平面的处理方式
     • 集中：远程的控制器集中实现控制逻辑
     • 远程：数据平面和控制平面的分离

4.2 SDN

1. SDN:逻辑上集中的控制平面

   一个不同的（通常是远程）控制器和CA交互，控制器决定分组 转发的逻辑（可编程），CA所在设备执行逻辑。

   

2. SDN的主要思路

   • 网络设备数据平面和控制平面分离
   • 数据平面-分组交换机
     • 将路由器、交换机和目前大多数网络设备的功能进一步抽象成：按照流表（由控制平面设置的控制逻辑）进行PDU （帧、分组）的动作（包括转发、丢弃、拷贝、泛洪、阻塞）
     • 统一化设备功能：SDN交换机（分组交换机），执行控制逻辑
   • 控制平面-控制器+网络应用
     • 分离、集中
     • 计算和下发控制逻辑：流表

3. SDN控制平面和数据平面分离的优势

   • 水平集成控制平面的开放实现（而非私有实 现），创造出好的产业生态，促进发展
     • 分组交换机、控制器和各种控制逻辑网络应用app可由不同 厂商生产，专业化，引入竞争形成良好生态
   • 集中式实现控制逻辑，网络管理容易：
     • 集中式控制器了解网络状况，编程简单，传统方式困难
     • 避免路由器的误配置
   • 基于流表的匹配+行动的工作方式允许==“可编程的”==分组交换机
     • 实现流量工程等高级特性
     • 在此框架下实现各种新型（未来）的网络设备

4. 流量工程：传统路由比较困难

   

   Q:网管如果需要u到z的流量走uvwz,x到z的流量走xwyz，怎么办？

   A:需要定义链路的代价，流量路由算法以此运算（ IP路由面 向目标，无法操作） (或者需要新的路由算法)

5. SDN特点

   

6. SDN架构：数据平面交换机

   

7. SDN架构：SDN控制器

   

8. SDN架构：控制应用

   

9. 通用转发和SDN

   每个路由表包含一个流表（被逻辑上集中的控制器计算和分发）

   

4.3 OpenFlow

1. OpenFlow数据平面抽象

   • 流:由分组（帧）头部字段所定义
   • 通用转发：简单的分组处理规则
     • 模式: 将分组头部字段和流表进行匹配
     • 行动：对于匹配上的分组，可以是丢弃、转发、修改、 将匹配的分组发送给控制器
     • 优先权Priority: 几个模式匹配了，优先采用哪个，消除歧义
     • 计数器Counters:#bytes 以及# packets
     • 路由器中的流表定义了路由器的匹配+行动规则（流表由控制器计算并下发）

2. OpenFlow:流表的表项结构

   

3. 例子：

   

4. OpenFlow抽象

   • match+action: 统一化各种网络设备提供的功能
   • 路由器：
     • match:最长前缀匹配
     • action: 通过一条链 路转发
   • 交换机
     • match: 目标MAC地 址
     • action: 转发或者泛
   • 防火墙
     • match: IP地址和 TCP/UDP端口号
     • action: 允许或者禁止
   • NAT
     • match: IP地址和端口号
     • action: 重写地址
   • 目前几乎所有的网络设备都可以在这个 匹配+行动模式 框架进行描述，具体化为各种网络设备包括未来的网络设备

5. OpenFlow例子：