计算机网络学习笔记-第四章

第四章学习开始于2023/8/25

目录

4.1 导论

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4.1 导论

网络层服务：

1.在发送主机和接收主机之间传送段

2.在发送端将段封装到数据报中

3.在接受端，将端上交给传输层实体

4.网络协议存在于每一个主机和路由器

5.路由器检查每一个经过它的IP数据报的头部

网络层关键功能：

转发：将分组从路由器的输入接口转发到合适的输出接口（数据平面）

路由：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（控制平面）

类比：转发看作通过单个路口；路由看作从源到目标的路径规划

数据平面、控制平面：

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（software-defined  networking）：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主机之间端到端的路径

路由方法：

        传统算法：在路由器中被实现（每个路由器独立实现，分布式）

        SDN方式：在远程服务器中实现（集中式）

连接建立功能：

在某些网络中，连接建立是除了路由、转发之外第三个重要功能（ATM、frame relay、X.25）

在分组传输之前，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

网络层和传输层连接服务的区别：

网络层：两个主机之间，涉及路径上的一些路由器

传输层：两个进程之间，很可能只体现在端系统上（TCP连接）

网络服务模型：

对于单个数据报的服务：

        可靠传输、延迟保证

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

4.2 路由器组成

输入端口功能

分布式交换：

        根据数据报头部信息如目的地址，在输入端口内存中的转发表中查找合适的输出端口（匹配+行动）

        基于目标的转发：仅仅依赖于IP数据报的目标IP地址（传统方法）

        通用转发：基于头部字段的任意集合进行转发

  输入端口缓存：

当交换机构的速率小于输入端口汇聚速率时，在输入端口可能要排队

（导致排队延迟和由于输入缓存溢出造成丢失）

Head-of-the-line blocking：排在对头的数据报阻止了队列中其他数据报向前移动

        如1、3输入端同时需要向另一输出端4口转发，由于1端口正在占用，导致3端口当前的数据报无法发出，此时即便是3端口后续的数据报并不要转发到4端口，也会因为当前的数据报无法发出而阻塞

交换结构：

将分组从输入缓冲区传输到合适的输出端口

3种典型的交换机构：

 1.通过内存交换（第一代路由器）

在CPU直接控制下交换，采用传统计算机

分组拷贝到系统内存，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

转发速率被内存带宽限制（因为数据报要过系统总线bus两遍）

一次只能转发一个分组

2.通过总线交换（第二代路由器）

数据报通过共享总线，从输入端口转发到输出端口

数据包含输出端口的地址，尽管所有端口都能收到，只有指定的端口才能取用

由于存在总线竞争，交换速度受限于总线带宽

一次处理一个分组

 3.通过互联网络（crossbar等）的交换

同时并发转发多个分组，克服总线带宽限制

短接相应总线即可达到控制效果

输出端口

存在缓存机制，当数据报从交换机构到达速度比传输速率快时，没有缓存就有可能丢失

由调度规则选择排队的数据报进行传输（即不见得先来的就先传）

调度机制：

选择下一个要通过链路传输的分组

FIFO：按照分组到来的次序发送

优先级策略：按照优先级进行调度

时间片调度策略：按照分类进行循环调度（发完红色发蓝色，然后发绿色，然后再发红色）

加权公平队列：理解成含优先级的时间片调度，每个类在每个循环里得到的服务量根据权重取

如果缓冲区满，需要丢弃策略：

        1.后来的抛弃

        2.按照优先权抛弃

        3.随机抛弃

4.3 IP协议 Internet Protocol

IP分片和重组

不同的网络链路存在不同的MTU(最大传输单元)

对一个路由器，插上不同网卡，之间的转发需要进行分片（主要是大的数据报在网络上分片）

分片的特征：ID相同，偏移量不同（在IP头部体现），还有特殊的标记表示该片后续是否有其他片

重组只在目标主机进行

目标主机收到任意一片，立即开始计时，结束之前只要没到齐，收到的部分全丢

IP编址

IP地址：32位标识，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

每一个IP地址和每一个接口关联

子网

IP地址的子网部分：高位bits；主机部分：低位bits

什么是子网：IP高位部分相同，构成的网络的一部分

无需路由器介入，子网各主机在物理上可以相互直达（一跳可达，可能要借助交换机）

IP地址的分类

A类：首字节0；第一个字节随后7个比特是网络号，后三个字节24bit代表主机号

A类地址一共有2^7-2个网络，因为规定全0和全1不用；每个网络有2^24-2个主机

B类：首字节10；前两字节去掉首字节后的14bit是网络号，剩下2字节是主机号

C类：首字节110；前三个字节去掉首字节后的21bit是网络号

ABC类都是单播地址

D类：首字节1110；后面是组播地址

对互联网而言，路由不是以单个IP地址做路由的，而是以子网为单位：即发送到这个网络区域，而不是定点发送（减少传输和计算的负担）

特殊的IP地址