开发: C++知识库 Java知识库 JavaScript Python PHP知识库人工智能区块链大数据移动开发嵌入式开发工具数据结构与算法开发测试游戏开发网络协议系统运维
教程: HTML教程 CSS教程 JavaScript教程 Go语言教程 JQuery教程 VUE教程 VUE3教程 Bootstrap教程 SQL数据库教程 C语言教程 C++教程 Java教程 Python教程 Python3教程 C#教程
数码: 电脑笔记本显卡显示器固态硬盘硬盘耳机手机 iphone vivo oppo 小米华为单反装机图拉丁

-> 系统运维 -> 计算机网络(自顶向下方法)-网络层 -> 正文阅读

[系统运维]计算机网络(自顶向下方法)-网络层

4. 1 导论

在这里插入图片描述

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
旅行的类比：
? 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

在这里插入图片描述

数据平面

在这里插入图片描述

控制平面

在这里插入图片描述

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

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)

在这里插入图片描述

4.2 路由器组成

在这里插入图片描述

4.3 IP: Internet Protocol

互联网的网络层
在这里插入图片描述

数据报格式

在这里插入图片描述

分片

在这里插入图片描述

IPv4地址

在这里插入图片描述

子网

在这里插入图片描述

IP 地址分类

在这里插入图片描述

子网掩码(subnet mask)

在这里插入图片描述

如何获得一个IP地址

Q: 主机如何获得一个IP地址?
? 系统管理员将地址配置在一个文件中
?Wintel: control-panel->network->configuration->tcp/ip->properties
?UNIX: /etc/rc.config
? DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: 从服务器中动态获得一个IP地址
?“plug-and-play”

DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol

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）
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

在这里插入图片描述

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)
在这里插入图片描述

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

NAT：网络地址转换

在这里插入图片描述
? 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

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）

在这里插入图片描述
? 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

在这里插入图片描述

IPv6

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
在这里插入图片描述

4.4 通用转发和SDN

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: 旅行
? 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行路径
在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述

匹配

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

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

在这里插入图片描述