计算机网络：网络层上（数据平面）

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前言

网络层分两部分讲解，本篇文章讲解数据平面的内容：路由器组成、IP协议（IPV4、IPV6）、通用转发和SDN。

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一、概述

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

网络层功能：

• 转发（数据平面）：将分组从路由器的输入接口转发到合适的输出接口
• 路由（控制平面）：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

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 + 交流

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
    • 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
      
  • software-defined networking(SDN)：
    • 在远程的服务器中实现
    • 一个不同的（通常是远程的）控制器与本地控制代理(CAs)交互
      

1.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
  • 这就是提供的服务模型
• 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
  • 这就是提供的服务模型

2.连接建立

• 在某些网络架构中是第三个重要的功能
  • ATM, frame relay,×.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)

二、路由器组成

路由器结构概况

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：从输入到输出链路交换数据报-根据路由表进行分组的转发

输入端口的功能

基于目标的转发：

• 最长前缀匹配
  • 当给定目标地址查找转发表时，采用最长地址前缀匹配的自标地址表项
  • 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

输入端口的缓存（上面图片的queueing）：

• 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！
  • 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

交换结构

• 将分组从输入缓冲区传输到合适的输出端口
• 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种典型的交换机构
  

memory交换结构（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，如下图)
• 一次只能转发一个分组

bus交换结构（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;32Gbps 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)

crossbar交换结构（通过互联网络交换）：

• 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

输出端口

• 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
• 由调度规则选择排队的数据报进行传输

输出端口排队

• 假设交换速率Rswitch是Rine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!

调度机制

• 调度：选择下一个要通过链路传输的分组（先来先服务）
• FIFO (first in first out) schedulin：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：丢弃刚到达的分组
    • priority：根据优先权丢失/移除分组
    • random：随机地丢弃/移除

调度策略：优先权

优先权调度：发送最高优先权的分组

• 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.IPsource/ dest，portnumbers，ds，etc.
  • 先传高优先级的队列中的分组，除非没有（只要有高优先级先传它，传完高优先级的再传低的）
  • 高（低）优先权中的分组传输次序:FIFO

调度策略：其他的

Round Robin (RR) scheduling：

• 多类
• 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（假设分组有红蓝绿三种颜色，先把其中一个红的传完，再把其中一个蓝的传完，最后传其中一个绿的分组，然后周而复始）

三、IP（Internet Protocol）

主机、路由器中的网络层功能：

IP数据报格式

• 首部长度。因为一个IPv4 数据报可包含一些可变数量的选项（这些选项包括在IPv4 数据报首部中），故需要用这4比特来确定IP数据报中数据部分实际从哪里开始。大多数P数据报不包含选项，所以一般的IP数据报具有20字节的首部。
• 服务类型。服务类型（TOS）比特包含在IPv4首部中，以便使不同类型的P数据报（例如，一些特别要求低时延、高吞吐量或可靠性的数据报）能相互区别开来。
• 数据报长度。这是IP数据报的总长度（首部加上数据），以字节计。因为该字段长为16比特，所以P数据报的理论最大长度为65535字节。然而，数据报很少有超过1500字节的。
• 寿命。寿命(Time-To-Live，TTL)字段用来确保数据报不会永远（如由于长时间的路由选择环路）在网络中循环。每当数据报由一台路由器处理时，该字段的值减1。若TTL字段减为0．则该数据报必须丢弃。
• 标识、标志、片偏移。这三个字段与所谓P分片有关，这是一个我们将很快要深入考虑的一个问题。有趣的是，新版本的IP（即IPv6）不允许在路由器上对分组分片。
• 协议。该字段仅在一个IP数据报到达其最终目的地才会有用
• 首部检验和。首部检验和用于帮助路由器检测收到的IP数据报中的比特错误。
• 数据（有效载荷）。我们来看看最后的也是最重要的字段，这是数据报存在的首要理由!在大多数情况下，IP数据报中的数据字段包含要交付给目的地的运输层报文段(TCP或UDP)。然而，该数据字段也可承载其他类型的数据，如ICMP报文

注意：一个IP数据报有总长为20字节的首部（假设无选项）。如果数据报承载一个TCP报文段，则每个（无分片的） 数据报共承载了总长40字节的首部（20字节的P首部加上20字节的TCP首部）以及应用层报文。

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

IPV4

IP编址

• 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

子网
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

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

如下：6个子网

IP地址分类

• Class A: 126（2的7次方 - 2） networks , 16 million hosts
• Class B: 16382（2的14次方 - 2）networks ,64 K hosts
• Class C: 2 million（2的21次方） networks ,254 host
• Class D: multicast
• Class E: reserved for future

A类B类C类都是单播地址

特殊IP地址
一些约定：

• 子网部分：全为O—本网络
• 主机部分：全为O—本主机
• 主机部分：全为1–广播地址，这个网络的所有主机

特殊IP地址：

127.x.x.x：回路（/测试）地址
内网（专用）IP地址

• 专用地：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

IP编址：CIDR
CIDR: Classless InterDomain Routing(无类域间路由)

• 32比特的IP地址被划分为两部分
• 地址格式: 点分十进制数形式a.b.c.d/x，其中x指示的是第一部分中的比特数（地址中子网号的长度）

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 00000000 00000000
  • B：255.255.0.0：11111111 11111111 00000000 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

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

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
  • Win+el：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 Confiquration 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

通俗的说：主机上线联网的时候先吼一嗓子——有人吗？（discover）然后在线的服务器（可能不止一个回复的）说我在（offer），主机知道有人在，就选择一个服务器请求获取一个IP地址（request），然后被选择的服务器收到请求就给主机一个IP地址（ACK）

• 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）

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
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

形式为a.b.c.d/x的地址的x最高比特构成了P地址的网络部分，并且经常被称为该地址的前缀（prefix）（或网络前缀）。一个组织通常被分配一块连续的地址，即具有相同前缀的一段地址。在这种情况下,该组织内部的设备的IP地址将共享共同的前缀。

一个ISP将8个组织连接到因特网的例子（这里的地址例子是点分十进制式表示，所以被点分成了四块（200 23 x y），而IP地址总共32位，所以一块是8位，所以下面说的前20位一样，肉眼你可能看不出来，化成二进制再看）：
假设该ISP(我们称之为Fly-By-Night-ISP)向外界通告，它应该发送所有地址的前20比特与200.23.16.0/20相符的数据报。外界的其他部分不需要知道在地址块200.23.16.0/20内实际上还存在8个其他组织，每个组织有自己的子网。这种使用单个网络前缀通告多个网络的能力通常称为地址聚合（address aggregation），也称为路由聚合（route aggregation）或路由摘要（ routesummarization）。

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）

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）

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, 例如：2P 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

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
• 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
  • (138.76.29.7, port 2500)总是转发到10.0.0.1 'port 25000
• 方案2: Universal Plug and Play(UPnP)Internet GatewayDevice (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),自动化静态NAT端口映射配置
• 方案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

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

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)
• 有效载荷长度。该16比特值作为一个无符号整数,给出了IPv6数据报中跟在定长的40字节数据报首部后面的字节数量。
• 下一个首部。该字段标识数据报中的内容（数据字段）需要交付给哪个协议（如TCP或UDP）。该字段使用与IPv4首部中协议字段相同的值。
• 跳限制。转发数据报的每台路由器将对该字段的内容减1。如果跳限制计数到达0时，则该数据报将被丢弃。

和IPV4的其他变化

• 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“NextHeader”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

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（解封装后得到IPV6）

隧道（Tunneling）

假设两个岛上的人都用的IPV6，其他地方都用IPV4，把这些用IPV4的地方比作海洋，一片海洋上只有两个岛屿。这时岛屿内部之间的交流是没问题的（都用的IPV6），但是两个岛屿之间和岛屿怎么交流，中间是海洋（用的是IPV4），这时就可以用隧道来解决，IPV4就充当隧道连接岛屿，从一个岛屿的数据报封装在IPV4的数据报中，通过隧道后，来到另一个岛屿，岛屿将其解封装，拿出IPV6数据报。

IPV6应用

• Google：8%的客户通过IPv6访问谷歌服务NIST:全美国1/3的政府域支持IPv6估计还需要很长时间进行部署
  • 20年以上!
• 看看过去20年来应用层面的变化: www, Facebook,streaming media,Skype,…

四、通用转发和SDN

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

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:
  • 1）硬件、在私有的操作系统;
  • 2）互联网标准协议(IP, RIP, IS-IS, OSPF, BGP)的私有实现从上到下都由一个厂商提供（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

传统方式存在的问题：

• 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

解决：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。

SDN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

SDN特点

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OpenFlow) ，SDN控制器访问基于流的交换机
  • 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(例如：OpenFlow)

SDN架构：SDN控制器

SDN控制器(网络OS)

• 维护网络状态信息
• 通过上面的北向API和网络控制应用交互
• 通过下面的南向API和网络交换机交互
• 逻辑上集中，但是在实现上通常由于性能、可扩展性、容错性以及鲁棒性采用分布式方法

SDN架构：控制应用

网络控制应用

• 控制的大脑:采用下层提供的服务(SDN控制器提供的API)，实现网络功能
  • 路由器交换机
  • 接入控制防火墙负载均衡
  • 其他功能
• 非绑定：可以被第三方提供，与控制器厂商以通常上不同，与分组交换机厂商也可以不同

通用转发和SDN

每个路由器包含一个流表（被逻辑上集中的控制器计算和分发）

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Pattern：将分组头部字段和流表进行匹配
  • 行动Action：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

OpenFlow：流表的表项结构

OpenFlow抽象

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总结

以上就是计算机网络网络层数据平面内容讲解，控制平面内容请看后续文章，即将发布。