【2023】计算机网络（自顶而下）——网络层

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2023-10-13 16:51 14阅读 0赞

## 一、网络层：数据平面—-转发 ##

*  网络访问的基本原理，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

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

#### 1、网络层：数据平面、控制平面 ####

***数据平面—-转发***

*  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

***控制平面—-路由***

*  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
     *  SDN(软件定义网络)：在远端的服务器中实现、

### 2、路由器组成 ###

高层面（非常简化的）通用路由器体系架构

*  路由：运行路由选择算法/协议（RIP,OSPF,BGP）-生成路由表
 *  转发：从输入输出链路交换数据报-根据路由表进行分组的转发

![在这里插入图片描述][49711b21aa3545af847ce2792b7b1a4e.png]

#### 输入端口缓存 ####

*  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！
 *  (HOL) blocking：排在队头的数据报阻止了对了中其他数据报向前移动
    
     *  因为输出端口竞争：只能有一个分组被传递，交换到下一个输出端口，其他指向这输出端口的队列就会被阻塞

#### 数据报交换结构 ####

1.  通过内存(memory)交换
2.  通过总线(bus)交换
    
    1.  数据报通过共享总线，从输入端口转发到输出端口
3.  通过互联网络(crossbar等)的交换
    
    1.  可以同时并发多个分组，克服总线带宽限制

![在这里插入图片描述][6ebd9d42037f4cdeac2e8e1acc7fbbba.png]

### 3、IP协议 ###

IP协议主要功能：

*  实现了数据层面的转发功能
 *  地址约定
 *  数据报格式
 *  分组处理的约定

![在这里插入图片描述][ae437a0ce1924f149b9ec0b6a40fd6cc.png]  
![在这里插入图片描述][42362236ddcc4fd9bb80497449e941ef.png]

#### IP分片和重组 ####

*  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
 *  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

#### 子网(Subnets) ####

*  IP地址
    
     *  子网部分(高位bits)
     *  主机部分(地位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

#### 网络传输 ####

![在这里插入图片描述][3d5ea61f16c548e385bdf90284ab6a21.png]

NAT穿越问题

1.  直接写死端口
2.  使用UPnP协议
3.  中继

#### IPv6头部 ####

![在这里插入图片描述][c8baadf7e8a842f69998d9055ecdd397.png]

和IPv4的其他变化

Checksum被移除掉，降低

### 3、通用转发和SDN ###

传统方式：是属于垂直平面

SDN方式：属于

#### SDN架构：数据平面交换机 ####

数据平面交换机

*  快速，简单，商业化交换设备采用硬件实现通用转发功能
 *  流表被控制器计算和安装
 *  基于南向API（例如OpenFiow），SDN控制器访问流的交换机
    
     *  定义了哪些可以被控制哪些不能
 *  也定义了和控制器的协议

#### SDN控制器（网络OS） ####

*  维护网络状态信息
 *  通过上面的北向API和网络控制应用交换
 *  通过下面的南向API和网络交换机交换
 *  逻辑上机种，但是实现上通常由于性能、可扩展性、容错性采用分布式方式

## 二、网络层：控制平面—-路由 ##

通过路由表算出来具体的路径，决定了分组该走什么网络路径

### 1、路由选择算法 ###

#### 路由协议 ####

路由协议的目标：确认从发送主机到接收主机之间，通过路由器的网络“较好”的路径（等价于路由器的序列）

*  路径：路由器的序列，分组将会沿着该序列从源主机到达最后的目标主机
 *  “较好”：最小“代价”，“最快的”，“最不拥塞”
 *  路由：一个“top-10”网络挑战！

### 2、ISP之间的路由选择：BGP ###

#### 层次路由 ####

*  层次路由：将互联网分成一个个AS（路由器区域）
    
     *  某个区域内的路由器集合，自治系统“autonomous systems”（AS）
     *  一个AS用AS Number（ASN）唯一标识
     *  一个ISP可能包括一个或者多个AS
 *  路由变成了：2个层次路由
    
     *  AS内部路由：在同一个AS内部路由器运行相同的路由器协议
        
         *  “intra-AS” routing protocol:内部网关协议
         *  不同的AS可能运行着不同的内部网关协议
         *  能够姐姐规模和管理问题
         *  如：RIP,OSPF,IGRP
         *  网关路由器：AS边缘路由器，可以连接到其他的AS
     *  AS间运行AS间路由协议
        
         *  “inter-AS” routing protocol:外部网关协议
         *  解决AS之间的路由问题，完成AS之间的互联互通

#### 互联网AS间路由：BGP ####

*  BGP：自治区域间路由协议“事实上的”标准
 *  BGP提供给每个AS以一下方法：
    
     *  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编到AS内部的所以路由器
     *  根据子网可达信息和策略来决定到达子网的“好”路径

![在这里插入图片描述][7eb654b025d24e1cbd8214edf162490e.png]

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