计算机网络第四章 网络层数据平面

4.0 目录

[TOC]

4.1 概述

• 作用主机到主机之间传输TCP segment或UDP datagram

• 将段封装成IP datagram以及解封装IP datagram【在网络边缘和路由器上都要进行】

A.两大功能转发+路由

• 转发从不同的端口接收数据再通过合适的端口发送出去

• 路由怎么样从源主机一步步选择路径发送到目的主机

• 转发是一个局部的功能而路由是一个全局的功能

• 路由决定了路径而转发则决定在一个路口走哪个方向

A. 数据平面介绍

• 负责转发功能

• 传统方式直接根据目标地址查路由表决定从哪个端口发送出去

• SDN软件定义网络方式基于多个字段+流表传统方式只基于IP字段

B. 控制平面介绍

• 负责路由的功能

• 需要通过路由选择协议RIPOSPFBGP计算出路由表并交给数据平面进行转发

• 网络操作系统计算通过南向接口Southbound Interface交给设备

• SDN方式下可以有多种操作转发阻止Block泛洪

C. 路由器介绍

C1. 传统模式下

• 在传统方式下路由器集成了数据平面与控制平面的实现

• 在路由器上路由与转发功能是紧耦合的路由选择协议计算出路由表并且通过转发功能发送出去。

• 总体上数据平面与控制平面都是分布式地完成的

• 不足由于数据平面与控制平面是紧耦合的行为逻辑是非常难改。因为路由器分布在全球不可能全改,十分僵化

C2. SDN模式

• 由于流表的计算集成在服务器上,由网络操作系统进行计算,并且通过南向接口传递给每个路由器

• 因此当需要修改行为逻辑时,只需要修改服务器即可(服务器是集中式分布的,很好修改).而且每种行为都是可编程的

• SDN模式下的'路由器'叫做:分组交换机

D.常用指标

• 服务模型 = 所有常用指标对应特定值时,提供服务的描述

• 如:IP协议啥都不保证,因此其服务模型叫:Best Effort

D1. 对单个数据报

• 是否可靠:如ATM网络是有连接的网络

• 有连接和面向连接是不同的,面向连接指的是只有两个端知道连接,而有连接是指中间每一个段节点都得维护连接关系

• 例如第一章中讲过的的虚电路网络,就通过虚电路表在每个节点都保障连接

• 延时是多少

D2.对一系列数据报

• 数据报保序性

• 保证的带宽

• 分组延迟差

4.2 路由器组成

• 传统路由器的结构示意图如下:

A. 输入端口缓存

• 输入端口缓存的作用为了匹配进入输入端可能存在的速率不匹配问题

• 你可能会问输入端口缓存是为了应对输入的速度比输出的速度大的情况但是对于输入端口而言他的输出是给告诉交换机的怎么可能高速交换机的速度比输入数据的速度还慢

• 的确交换机的速度比输入数据的速度来的快但是有可能出现头部阻塞的问题也就是当下有非常多用户都要朝着一个网卡输出端口的方向去发送数据报【双十一的时候都朝着淘宝服务器方向发请求】那么数据报多了必然会造成排队因而有必要设置输入端口的缓存

• 输入端口缓存的示意图如下:

• 在上图中B和C端口来的报文都需要转发到紫色的出口因此就会有报文需要等待此时输入端口缓存就有用武之地了。

• 如果缓存区满了那么数据包就会被直接抛弃掉

B. 交换结构

• 交换结构主要是在交换机中怎么从输入端口转到输出端口有三种常见的结构

• fabric交换机的交换速率一定要是输入端口的N倍对于有N个输入端口的情况。例如输入端口的交换速率为1000ppmPacket Per Minute且总共有3个输入端口那么交换机的交换速率v ≥ 3000ppm

B1. Memory

• 第一代的路由器相当于直接使用电脑作为交换设备并且利用系统总线作为交换线路System Bus

• Memory结构示意图如下

• 根据上图可以知道一个分组传递需要两次经过系统总线因此系统总线会大大限制交换的速率

B2. Bus总线

• Bus总线结构改善了Memory问题分组只需要经过一次总线且总线也不采用电脑的系统总线使得分组传输速率大大提升

• 该结构示意图如下

B3. CrossBar互联网络

• CrossBar互联网络结构进一步优化结构设计了一个类似多路并行的结构即不同端口之间的数据传输并不需要共用整条总线再次提升了传输速率适合用作核心交换设备

• 结构示意图如下

C. 输出端口缓存

• 同样是用来匹配输入和输出的速度的。输出端口缓存比较好理解因为输入来自高速交换机输入速度快而输出速度慢设置缓存区很有必要。

• 先来的一定先传吗

• 不一定依照一定的调度规则【见下面的C1】确定其优先级例如优先传实时多媒体的应用

C1. 调度方案

1. FIFO:First in first out按照分组到达的优先次序来发送

2. RR:Round Robin风水轮流转发送依照头部等信息把分组分成不同的组别例如分成红色蓝色绿色分组那么就按照红绿蓝红绿蓝的顺序依次发送

3. WFQ: Weight Fair Queuing按照每个类别分组数量的比例分配服务时间其实就是RR分配方式的普遍形式

• 丢弃策略

1. tail drop按照顺序最晚来的分组被丢弃

2. priority根据分组的优先级丢弃分组【可以根据头部等信息分类】

3. random随机丢弃分组

4.3 IP协议

A. IP数据报的形式头部+Body

• IP数据报的格式如下图所示

• 其中第一个ver是版本号:IPv4或IPv6

• 第二个时head len代表头部的长度以四个字节为单位最小为5【即当头部可选项为空的时候总共20个字节因此head len为5】

• Internet checksum是对头部的校验和

B. IP分片与重组

• 为什么需要分片

• 一个路由器不同接口所连接的网络很可能是不同的有可能一个网卡连接的是FDDIFiber Distributed Data Interface光纤分布式数据接口网络而另外一个网课连接的是EtherNet以太网。而不同的数据链路网络可能会具有不同大小的MTUMax Transfer Unit最大传输单元

• 因此从帧较大的网络转发进入帧较小的网络就需要进行分片否则无法进行传输。那么分片的时候需要保证IP地址的一致并通过上面所说的16-bit identifierflgsfragment offset字段进行标记

• 需要进行IP Segmentation的情景如下图所示

• IP分片得到的结果以及对应分片的报文头部字段如下图所示

• 需要特别说明的是报文头部的fragment offset分片偏移量字段是以8个字节为单位的而不是一个字节因此上述分片中的偏移量分别是185,370而不是1480,2960

C. IP地址

• IP地址其实不是用来表示一台设备而是一台设备中一个网络接口的标识是标志一个点的

C1. 子网Subnet

• 纯子网

• 具有相同的前缀就是IP地址与子网掩码相与得到相同的结果

• 且一个子网内部所有主机在通信的时候不需要经过路由器可以通过交换机等交换结构进行通信在IP的层面是一跳可达的

• 非纯子网

• 一个比较宏观抽象的概念在外部的角度看一定区域内的主机可以构成一个子网但是里面含有路由器设备

• 子网内部更高的IP号相同但每台主机的IP地址与对应的子网掩码号相与等到的结果可能不同

C2. IP地址的分类

• IP地址约定全0和全1的地址不用来标识主机全0是本网络全1是广播地址

• 互联网的转发是以整个网络为单位进行计算和转发的

• 因此对于一个路由器而言只关心发往哪个网络而不关心具体哪个主机

• A类的网络号有7位主机号共有24位126个网络每个网络1600万台主机

• B类的网络号有14位主机号共有16位共有16382个网络每个网络65534台主机

• C类的网络号共有21位主机号共有8位因此共有200万个网络每个网络只有254台主机

• 在上述的分类之下其实并不需要子网掩码的存在只需要按照网络的分类取出网络号即可

D. IP编址CIDR

• CIDR:Classless InterDomain Routing无类域间路由

• 由于前面对网络的分类会导致A类网络和B类网络数量很少很快被分配完了而数量很多的C类网络主机数量不够。且A类网络和B类网络中存在很严重的资源浪费问题因此而CIDR则可以更精准地划分网络规模

• 但是对于无类的网络需要标记网络号的位置因而需要子网掩码子网掩码中网络号的对应位全部是1主机位对应的位全部是0

E. 转发表与转发的过程

• 由上图可以知道转发表需要包括四个字段网络号子网掩码下一跳以及接口对应的网卡

• 首先将源IP地址与转发表中的子网掩码依次相与看得到的网络号是否有与表中的网络号相匹配的如果有则根据表中的下一跳地址交给对应的接口网卡

• 如果所有表象都没能匹配上那么就匹配default默认网关选项默认网关一般是子网的出口路由器的方向

• 注可能一个网络号可以匹配几个表项选择最长前缀匹配的原则进行最精确的匹配

F. IP地址怎么获取

• 方法1由网络管理员直接进行分配需要分配四个信息IP地址子网掩码默认网关以及Local Name Server本地的名字服务器用于域名解析DNS

• 方法2plug-and-play即插即用利用DHCPDynamic Host Configuration Protocol动态主机配置协议直接获取四个信息IP地址子网掩码默认网关以及Local Name Server本地的名字服务器

• 一台设备利用DHCP获取IP地址的过程如下

• 首先当主机上先的时候需要用广播通知整个网路包括DHCP服务器但是当时主机还没有IP地址也没有目的的IP地址怎么发送报文呢

• 直接以全0位源IP地址代表本主机并且以全1位目标IP地址代表广播

• DHCP通过UDP事务性的用UDP给主机发出分配的信息:IP地址子网掩码默认网关以及Local Name Server本地的名字服务器以及过期时间时间到了之后需要更新一下信息

• 一个机构怎么获得和分配IP地址

• 一个机构先从ISP出获取一个IP的网络号

• 例如ISP给一个机构分配了20位的网络号因此有12位可以用来分配给主机那么该机构又有8个子机构因此机构可以在12位中分出最高的3位用作子机构的标识层层分配下去。

G.层次编址路由聚集Routing Aggression

• 隶属于一个大网络的小子网可以通过路由通告告诉大网络的路由器

• 例如一个大机构下面有若干子机构每个子机构的IP都由大机构进行分配并连接到大机构的路由器因此整个机构对外其实就可以看成只有大机构一个出口而不用暴露出每个子机构的IP号只有当报文到达大机构的路由器时大机构才根据自己的路由表将数据报文转发给子机构的路由器

• 当然机构对外的路由器也可以不只有一个如下图所示在匹配的时候依然使用最大前缀匹配的原则

H. NAT:Network Address Translation

• 如果一个单位还没有拿到自己独享的IP地址或者为了节省成本而且有希望在自己的网络内部部署业务就可以采用内网的IP例如最常见的192.168.xxx.xxx就是内网地址

• 但是内网地址是物联网不承认的地址因此内网地址需要经过翻译才能得到互联网所承认的地址因此需要NAT进行翻译

• 在数据报出去的时候我们要替换IP地址和端口号相当于建立一个内网IP地址实际端口号与对外的IP地址和对外的端口号之间的映射当数据报回来的时候就可以通过映射关系发给相应的主机进程