计算机网络之网络层

四.网络层：数据平面

4.1 网络层概述

网络层被分解为两个相互作用的部分，即数据平面和控制平面。

数据平面决定到达路由器输入链路之一的数据报如何转发到该路由器的输出链路之一，转发方式有：

• 传统的IP转发：转发基于数据报的目的地址
• 通用的转发：可以使用数据报首部中的几个不同域的值执行转发和其它功能

该控制平面功能控制数据报沿着从源主机到目的主机的端到端路径中路由器之间的路由方式

• 传统上，控制平面路由选择协议和数据平面转发功能已被实现成一个整体，位于一台路由器中
• 软件定义网络 (Software - Defined Networking , SDN) 通过将这些控制平面功能作为一种单独服务，明确地分离数据平面和控制平面，控制平面功能通常置于一台远程”控制 器”中

4.1.1 转发和路由选择：数据平面和控制平面

转发是数据平面的功能，路由选择是控制平面的功能

转发：当一个分组到达某路由器的一条输入链路时，该路由器必须将该分组移动到适当的输出链路

路由选择：当分组从发送方流向接收方时，网络层必须决定这些分组所采用的路由或路径计算这些路径的算法被称为路由选择算法。

1.控制平面：传统的方法

        路由选择算法决定了插入该路由器转发表的内容。在上图中，路由选择算法运行在每台路由器中，并且在每台路由器中都包含转发和路由选择两种功能。在一台路由器中的路由选择算法与在其他路由器中的路由选择算法通信，以计算出它的转发表的值。这种通信是根据路由选择协议交换包含路由选择信息的路由选择报文进行通信的。

2.控制平面：SDN方法

        上图显示了将控制平面从路由器物理上分离的一种方法，远程控制器计算和分发转发表以供每台路由器所使用。注意到上图和上上图的数据平面组件是相同的。而在上图中，控制平面路由选择功能与物理的路由器是分离的，即路由选择设备仅执行转发，而远程控制器计算并分发转发表。远程控制器可能实现在具有高可靠性和冗余的远程数据中心中，并可能由 ISP 或某些第三方管理。路由器和远程控制器是通过交换包含转发表和其他路由选择信息的报文进行通信的。

4.1.2 网络层的服务模型

网络层能够提供的某些可能的服务

• 确保交付 该服务确保分组将最终到达目的地  
• 具有时延上界的确保交付 该服务不仅确保分组的交付，而且在特定的主机到主机时延上界内（例如100ms内）交付
• 有序分组交付 该服务确保分组以它们发送的顺序到达目的地
• 确保最小带宽 这种网络层服务模仿在发送和接收主机之间一条特定 比特率的传输链路的行为。只要发送主机以低于特定比特率（例如1Mbps）的速率传输比特 （作为分组的组成部分），则所有分组最终会交付到目的主机
• 安全性 网络层能够在源加密所有数据报并在目的地解密这些分组，从而对所有运输层报文段提供机密性

这只是网络层能够提供的服务的部分列表，有无数种可能的服务变种

因特网的网络层提供了单一的服务，称为尽力而为服务（best-effort service）

4.2 路由器工作原理

输入端口：执行几项重要功能。它在路由器中执行终结入物理链路的物理层功能，这显示在上图中输入端口部分最左侧的方框与输出端口部分最右侧的方框中。它还要与位于入链路远端的数据链路层交互来执行数据链路层功能，这显示在输入与输出端口部分中间的方框中。也许更为重要的是，在输入端口还要执行查找功能，这显示在输入端口最右侧的方框中。正是在这里，通过查询转发表决定路由器的输出端口，到达的分组通过路由器的交换结构转发到输出端口。控制分组（如携带路由选择协议信息的分组）从输入端口转发到路由选择处理器。

交换结构：交换结构将路由器的输入端口连接到它的输出端口。这种交换结构完全包含在路由器之中，即它是一个网络路由器中的网络。

输出端口：输出端口存储从交换结构接收的分组，并通过执行必要的链路层和物理层功能在输出链路上传输这些分组。当一条链路是双向的时（即承载两个方向的流量），输出端口通常与该链路的输入端口成对出现在同一线路卡上。

路由选择处理器：路由选择处理器执行控制平面功能。在传统的路由器中，它执行路由选择协议，维护路由选择表与关联链路状态信息，并为该路由器计算转发表 SDN 路由器中，路由选择处理器负责与远程控制器通信，目的是接收由远程控制器计算的转发表项，并在该路由器的输入端口安装这些表项。路由选择处理器还执行网络管理功能。

4.2.1 输入端口处理和基于目的地转发

路由器针对分组中的IP地址使用最长前缀匹配规则对分组进行转发

4.2.2 交换结构

交换可以用许多方式完成，如以下三种交换方式

• 经内存交换
• 经总线交换
• 经互联网络交换

4.2.3 输出端口处理

4.2.4 出现排队

在输入端口和输出端口的网络层会出现排队

4.2.5 分组调度

1.先进先出

2.优先权排队

3.循环和加权公平排队

4.3 网际协议：IPv4、寻址、IPv6及其他