计网——网络层
四、网络层
网络层服务
在发送主机和接收主机之间对传送段（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数据报头部
网络层关键功能
转发
数据平面（实施怎么走）
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（决定怎么走）
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
传统方式
在每一路由器中的单独路由器算法原件，在控制平面进行交互
SDN方式
一个不同的（通常是远程的）控制器与本地控制代理（CAs）交互
网络服务模型
连接建立
网络层服务模型
网络层：数据平面
路由器组成
输入端口功能
输入端口缓存
交换结构
通过内存交换
通过总线交换
通过互联网络的交换
输出端口功能
输出端口排队
调度机制
调度：选择下一个要通过链路传输的分组
丢弃策略：
- 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
FIFO scheduling：
按照分组到来的次序发送
优先权调度：
发送最高优先权分组
分为多类，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
- 先传高优先级的队列中的分组，除非没有
- 每类中的分组按照FIFO次序传输
Round Robin scheduling：
将分组分为多类
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
Weighted Fair Queuing：
一般化的Round Robin
在每段时间内，每个队列得到的服务是和权重成正比的
每个类在每一个循环中获得不同权重的服务量
IP：Internet Protocol
网络层功能
IP数据报格式
IP分片和重组（Fragmentation & Reassembly）
例子
IP编址
IP地址：32位表示，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地址和一个接口想关联
子网（Subnets）
IP地址：
- 子网部分（高位bits）
- 主机部分（低位bits）
一个子网内的节点它们的IP地址高位部分相同，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
例子
上述网络有6个子网
IP地址分类
全0和全1的地址有特殊定义，这里需要去掉
特殊IP地址
约定
- 子网部分：全0——本网络
- 主机部分：全0——本主机
- 主机部分：全1——广播地址，这个网络的所有主机
特殊IP地址
127.x.x.x表示回路（测试）地址，该地址会在到达IP层时，会反转朝上，表示本机
内网（专用）IP地址
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，x表示地址中子网号的长度
与子网掩码进行与操作就可以得到一个网络号，主机号全为零（因为不需要）
子网掩码（subnet mask）
转发表和转发算法
如何获取一个IP地址
系统管理员将地址配置在一个文件中
DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）：从服务器中动态获得一个IP地址
DHCP
允许主机再加入网络的时候，动态地从服务器那里获得IP地址
工作概况
DHCP client-server scenario
建立在UDP之上
如何获得一个网络的子网部分
从ISP获得地址块中分配一个小地址块
层次编址：路由聚集（route aggregation）
层次编址允许路由信息的有效广播
IPX的路由器将IP0-IPN的IP聚集起来之后，再向外通告路由
当组织进行了迁移，例如组织7从IPX迁移到IPY时，IPY路由器将会更改通告
这样后就需要进行最长前缀匹配，因为IPX和IPY都对200.23.18.0进行了成功的匹配，但是IPY通告的前缀最长，更精准，所以下一跳将会是IPY路由器
ISP如何获得一个地址块
ICANN：Internet Corporation for Assigned Names and Numbers
- 分配地址
- 管理DNS
- 分配域名
NAT：网络地址转换（Network Address Translation）
动机
本地网络只有一个有效IP地址
实现
NAT路由器必须具备：
路由器用端口号区分内网主机
问题
NAT穿越
三种方案
IPV6
动机
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
头部
与IPV4的变化
从IPV4到IPV6的平移
隧道（Tunneling）
在IPV4路由器之间传输IPV4数据报中携带IPV6数据报
通用转发和SDN
数量众多、功能各异的中间盒
网络设备控制平面的实现方式特点
传统方式实现网络功能的问题
SDN的主要思路
SDN控制平面和数据平面分离的优势
垂直集成和水平集成的差异
SDN特点
1、通用“flow-based”基于流的匹配+行动（OpenFlow）
2、控制平面和数据平面分离
3、控制平面功能在数据交换设备之外实现
4、可编程控制应用，在控制器之上以网络应用形式实现各种网络功能
SDN架构
数据平面交换机
SDN控制器
控制应用
OpenFlow数据平面抽象
流表的表项结构
抽象
match+action：统一化各种网络设备提供的功能
路由器、防火墙、交换机、NAT都能由match+action实现相关功能
例子
网络层：控制平面
概念
路由的概念
网络的图抽象
边和路径的代价
最优化原则（optimality principle）
汇集树（sink tree）
- 此节点到所有其它节点的最优路径形成的树
- 路由选择算法就是为所有路由器找到并使用汇集树
路由的原则
路由选择算法的原则
路由选择算法的分类
①全局
①分布式
②静态
路由随时间变化缓慢
②动态
路由变化很快
- 周期性更新
- 柑橘链路代价的变化而变化
路由选择算法
Link State
LS路由工作过程
链路状态路由选择（link state routing）
1、发现相邻节点，获知对方网络地址
2、测量到相邻节点的代价（延迟、开销）
3、组装一个分组，描述相邻节点的情况
4、将分组通过扩散的方法发送到所有其它路由器
5、通过Dijkstra算法找出最短路径
Dijkstra算法缺点
可能会引起震荡
LS应用情况
- OSPF协议是一种LS协议，被用于Internet上
- IS-IS（Internet system-intermediate system）：被用于Internet主干中，Netware
Distance Vector
距离矢量路由选择（distance vector routing）
动态路由算法之一
DV应用情况
ARPANET、Internet（RIP）、DECnet
基本思想
具体实现
例子
Bellman-Ford例子
距离矢量算法
核心思路
无穷计算问题
水平分裂（split horizon）算法
一种对无穷计算问题的解决办法
LS和DV算法的比较
因特网中自治系统内部的路由选择
RIP（Routing Information Protocol）
RIP通告（advertisements）
例子
链路失效和恢复
RIP进程处理
OSPF（Open Shortest Path First）
高级特性（RIP没有）
层次性OSPF路由
ISP之间的路由选择：BGP
层次路由
一个平面的路由
平面路由的问题
层次路由：将互联网分成一个个AS（路由器区域）
路由变成了：2个层次路由
层次路由的优点
解决了规模问题
解决了管理问题
互联网AS间路由：BGP
eBGP、iBGP连接
BGP基础
路径的属性 & BGP路由
BGP路径通告
BGP报文
BGP、OSPF、转发表表项
路由器是如何设置到这些远程子网前缀的转发表表项的
BGP路径选择
热土豆路由
BGP：通过路径通告执行策略
内部网关协议和外部网关协议差异很大
SDN（Software Defined Network）控制平面
SDN特点
SDN架构
数据平面交换机
SDN控制器
控制应用
SDN控制器里的元件
OpenFlow协议
控制器到交换机的报文
交换机到控制器的报文
例子
OpenDaylight（ODL）控制器
ONOS控制器
SDN面临的挑战
网络管理和SNMP
网络管理
- 自治系统（autonomous system）：1000多个相互的软件和硬件部件
- 其它复杂的系统也需要被监视和控制
“网络管理”包括了硬件、软件和人类元素的设置，综合和协调，以便监测，测试，轮询，配置，分析，评价和控制网络和网元资源，用合理的成本满足实时性，运行能和服务质量的要求
网络管理的五大功能
网络管理架构
SNMP协议
报文类型
网课视频以及资料来源