网络层总结
1，网络层-数据平面
1.1，几个概念
转发：局部的数据处理
路由：全局的控制功能
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。
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），在远程服务器中实现。
网络层和传输层连接服务的区别：
- 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）
1.2，网络层服务
- 在发送主机和接受主机对之间传送段（segment）；
- 在发送端将段封装在数据报中；
- 在接收端将段封上交给传输层实体；
- 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他的IP数据报的头部
1.2.1，路由器组成
路由器分诶路由选择部分和分组转发部分。
- 路由选择部分：也被称为控制部分。核心部件是路由选择处理机。
- 分组转发部分：分为三部分，交换机构（switch fabric），一组输入端口，一组输出端口。交换结构又称为交换组织，它的作用就是根据转发表进行处理，将某个端口进来的分组从另外一个合适的输出端口转发出去。
交换结构：
- 通过存储器（memory）
- 通过总线（bus）
- 通过互联网络（crossbar）
第一代交换结构：通过内存交换
- 在CPU直接控制下的交换
- 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
第二代交换结构：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
- 一次处理一个分组
- 对于接入或企业级路由器速度足够，不适合区域或骨干级网络
第三代交换结构：通过互联网络的交换
- 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）网络和其他的互联网络被开发，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
调度机制：输出端口采用的机制来控制顺序，选择下一个要通过链路传输的分组。例如FIFO（先入先出）。
1.2.2，IP（Internet protocol）
1.IP协议是TCP/IP协议簇中的核心协议，也是TCP/IP的载体。所有TCP，UDP，ICMP数据都以IP数据报格式传输。
2.IP数据报格式：数据报宽度为32bit，包含
- 4位版本号
- 4位首部长度
- 8位服务类型
- 16位总长度（字节数）
3.IP分片和重组：网络链路层有MTU（最大传输单元）-链路层帧所携带的最大数据长度。不同链路类型有不同的MTU。
所以大的IP数据报在网络上被分片（fragmented）：
- 一个数据报被分割为若干小的数据报，具有相同的ID，不同的偏移量，最有一个分片标记为0.
- 重组只在最终的目标主机进行。重组时通过不同片的偏移量（offset）确认片的顺序。
- IP头部的信息被用于标识，排序相关分片。IP地址全0和全1的网络不用，子网IP全0对应本网络，主机全0对应本主机。
4.子网：IP地址分为高位bits（子网部分）和低位bits（主机部分）。
一个子网内的节点（主机或路由器）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，子网内各主机可以再物理上相互直接到达。
互联网以子网为单位计算路由，而不是以IP为单位进行计算。
5.内网（专用）IP地址：
专用地址：地址空间的一部分供专用地址使用，不会被当做公用地址分配，也不会与公用地址重复。
6.IP地址划分：所有IP地址可以分为5类，A，B，C，D，E，总长度全部为32bit。
- A类：最高位为0,接着7位网络号，24位主机号。地址范围为0.0.0.0到127.255.255.255
- B类：最高两位为10，接着14位网络号，16位主机号。地址范围为128.0.0.0到191.255.255.255
- C：最高三位为110，接着21位网络号，8位主机号。地址范围为192.0.0.0到223.255.255.255
问题：大多数组织申请B类，A类浪费了大量地址
7.针对6的问题，提出了新的划分方案，CIDR（classless interdomain routing）无类域间路由
- 子网部分可以在任意位置
- 地址格式：a.b.c.d/x，其中x是地址中子网号的长度
CIDR更灵活，根据情况选择网络位与主机位。在计算路由时与子网掩码进行“与运算”（把主机部分置零，因为主机部分在计算路由时无用）。
掩码（masking）：使用掩码区分网络部分与主机部分，掩码使用与IP地址一样的格式，网络部分和子网部分全1，主机部分全0。
8.主机如何获取一个IP地址：通过DHCP技术，从服务器动态的获取IP地址，一般的路由器都带有DHCP功能。
9.第三种编址方式：层次编址（路由聚集，route aggregation）
10.网络地址转换（WAT）：内网地址->可用的外网地址（一个机构共用一个外网地址）。
问题：出去没问题，外网主动连接时找不到内网设备，NAT穿越问题。
解决方法：
- IGD协议
- 中继（Skype用的）
11.IPV6
诞生的原因：32bit地址空间很快被用完，头部格式改变帮助加速处理和转发，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（让源主机分片）
1.2.3，通用转发和SDN
1.每个路由器的控制平面：每个路由器都有实现路由算法原件，形成传统IP实现方式的控制平面。
2.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架构：SDN控制器，控制应用，流表（openflow）
SDN控制器：
- 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，实现上采用分布式方法
2，网络层-控制平面
2.1，传统路由算法，动态路由选择算法
1.link state（全局算法）链路状态算法：所有路由器有完整的拓扑和边的代价的信息
2.distance vector（局部算法）
汇集树（sink tree）：
- 此节点到其他节点的最优路径形成的树
- 路由选择算法是为所有路由器找到并使用汇集树
2.LS算法的路由工作工程
- 各点获得整个网络拓扑，网络中所有代价等信息
- 使用LS路由选择算法，计算本站点到其他站点的最优路径（汇集树，通过dijstra算法获得），得到路由表
- 按此路由表转发分组（datagram方式）
3.距离矢量路由选择（DV routing）
核心思路：
- 每个节点都将自己的距离矢量估计值传送给邻居，定时或者DV有变化时，让对方去算
- 当x从邻居接收到DV时，自己运算，更新它自己的距离矢量（使用B-Fequation）
问题：无穷计算问题（通过水平分裂算法解决，但环状拓扑时该算法不可用），即好消息传得快，坏消息传的慢。
4.LS和DV算法比较
n个节点：
- 消息复杂度（DV优）：LS有E条链路，发送报文O（nE），DV只和邻居交换信息
- 收敛时间（LS优）：LS复杂度O（n^2），有可能震荡；DV收敛较慢，可能存在路由环路，无穷计算问题
- 健壮性：路由器故障会发生什么（LS优）。LS：节点会通告不正确的链路代价；每个节点只计算自己的路由表；错误信息影响较小，局部。
DV：DV节点可能通告对全网所有节点的不正确路径代价；每个节点的路由表可能被其他节点使用，错误扩散到全网。
2.2，因特网中自治系统内部协议（关注性能）
又被称为内部网关协议（IGP），有路由选择信息协议（RIP）和开放最短路径协议（OSPF）。
2.2.1，RIP协议
RIP协议是一种内部网关协议（IGP），是一种动态路由选择协议，用于自治系统（AS）内的路由信息传递。基于距离矢量算法（DV）。
工作原理：以应用进程的方式实现，通告报文通过UDP报文传送，周期性重复。RIP最多支持的跳数为15,16则为不可达。
2.2.2，OSPF协议（open shortest path first，基于LS算法）
使用五种不同类型的分组（报文）：
- 问候分组
- 数据库描述分组
- 链路状态请求分组
- 链路状态更新分组
- 链路状态确认分组
相对于RIP协议新增的特性：
- 安全
- 允许多个代价相同的路径存在（RIP中只有一个）
- 对每一个链路，不同的TOS有多重代价矩阵
- 对单播和多播的集成支持
- 在大型网络中支持层次性OSPF
层次性的OSPF路由：
- 2个级别的层次性：本地，骨干。链路状态通告仅在本地区域area范围内进行；每个节点拥有本地区域的拓扑信息
- 区域边界路由器：“汇总”到自己区域内网络的距离，向其他区域边界路由器通告
- 骨干路由器：仅仅在骨干区域内，运行OSPF路由
- 边界路由器：链接其他的AS’s
2.3，因特网自治系统间的路由选择协议
又被称为外部网关协议（EGP协议）。
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 system，AS）
- 一个AS用AN number（ASN）唯一标识
- 一个ISP可能包括一个或者多个AS
路由变成了两个层次路由：
- AS内部路由，使用IGP协议，如RIP，OSPF，IGRP协议
- AS间运行外部网关协议（EGP），如BGP协议（边际网关协议）
BGP提供给每个AS以以下方法：
- eBGP：从相邻ASes那里获得子网可达信息
- iBGP：将获得的子网可达信息传遍AS内部的所有路由器
- 根据子网可达信息和策略来决定到达子网的“好路径”
BGP算法基于距离矢量算法。
BGP回话：2个BGP路由器在一个半永久的TCP连接上交换BGP报文。
BGP路径选择：路由器可能获得一个网络前缀的多个路径，路由器必须进行路径的选择，路由选择可以基于：
- 本地偏好值属性：偏好策略决定
- 最短AS-PATH：AS的跳数
- 最近的NEXT-HOP路由器：热土豆路由器
- 附加的判断：使用BGP标示
RIP，OSPF，BGP比较
RIP使用UDP，OSPF使用IP，BGP使用TCP。为什么这样做？
答：RIP只和邻站交换信息，UDP不保证可靠交付，但UDP开销小，可以满足RIP要求，并且由于使用UDP，RIP周期性的与邻站交换信息，来克服UDP不可靠的缺点。
OSPF使用可靠的泛洪法，所以直接使用IP，好处是灵活性好开销小。
BGP需要交换整个路由表和更新信息，所以要保证正确，运用TCP，由于BGP使用TCP所以能够保证可靠交付，用不着周期性交互信息。
2.4，SDN控制
传统控制难实现流量工程的特性，SDN下简单。
SDN特点：
- 通用“flow-based”基于流的匹配+行动（eg：openflow）
- 控制平面和数据平面的分离
- 控制平面功能在交换设备之外实现
- 可编程控制应用
2.4.1，SDN架构
1.数据平面交换机
- 快速、简单、商业化交接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
- 也定义了和控制器的协议（例如openflow）
2.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，实现上分布
3.Openflow协议
- 控制器和SDN交换机交互的协议
- 采用TCP来交换报文（加密可选）
- 3中Openflow报文类型：控制器->交换机；异步（交换机->控制器）；时移（misc）
控制器->交换机报文：
- 特性：控制器查询交换机特性，交换机应答
- 配置：交换机查询/设置交换机的配置参数
- 修改状态：增加删除修改Openflow表中的流表
- packet-out：控制器可以将分组通过特定的端口发出
交换机->控制器报文：
- 分组进入：将分组（和它的控制）传给控制器，见来自控制器的packet-out报文
- 流移除：在交换机上删除流表项
- 端口状态：通告控制器端口的变化
3，网络层总结
网络层控制平面的方法：
- 传统方法：每个路由器控制
- SDN方法
传统路由选择算法：
- AS内：RIP，OSPF
- AS间：BGP
SDN控制器