计算机网络第四章

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第四章 网络层：数据平面

前几章在网络边缘，进入网络核心部分。

  1. 导论（数据平面、控制平面）
  2. 路由器结构组成
  3. IP协议（格式、分片重组、地址转换、IPv4、IPv6）
  4. SDN情况下数据平面（流表匹配）

4.1 导论

——数据平面、控制平面

  • 服务模型
  • 转发和路由——分别是数据平面和控制平面，分为传统方式和SDN方式（四种）
  • 路由器工作原理
  • 通用转发

——协议实例与实现

功能概述

网络层服务：

  • 主机对之间传送段（封装的传输层TCP段UDP数据报）
  • 封装、解封装
  • 协议存在于每个主机和路由器，路由器检查所有IP数据报头部

关键功能：

  1. 转发：输入接口转发到输出接口（局部功能）
  2. 路由：选择路径到达目标主机（全局功能）——算法、协议

数据平面、控制平面：

  • 数据平面：转发（依靠路由表）——本地。传统：地址+转发表；SDN：多个字段+流表。
  • 控制平面：路由（生成路由表）——全局。传统：路由器中实现；SDN：远程的服务器实现。

传统方式仅依靠IP地址，SDN方式匹配流表依靠一系列字段（MAC、配置信息等），SDN除了转发还可以阻止（block）、泛洪、修改等。SDN厂家的网络控制服务器通过南翔接口算出来流表分配给每个主机。

传统方式和SDN方式：

  • 传统方式：路由器 分布式计算路由表（Per-router），两个平面紧耦合。——很难改运行逻辑。
  • SDN方式：分组交换机通过南向接口收到网络服务器的集中控制，两个平面分开。——很好改、可编程。

SDN：软件定义网络（software defined network）

服务模型

指标：

  • 单个数据报：可靠性、延迟。
  • 数据报流：保序性、带宽、延迟差（jitter）。

下下页具体模型（这些指标为特定值时表示某种模型）

  1. best effort（尽力而为）：全部无法保证——IP
  2. CBR（恒定速率）——下面都是ATM
  3. VBR（变化速率）
  4. ABR（可用比特率）
  5. UBR（不指名比特率）

连接建立

某些架构中有连接（和传输层面向连接区别——连接还体现在交换路径上），如ATM等。

IP无连接建立的功能。

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
graph TB
    A[导论]
    A-->B[功能概述]
    B-->B1[数据/控制平面]
    B-->B2[传统/SDN方式]
    A-->C[服务模型]
    C-->C1[各种指标]
    C-->C2[具体模型]
    A-->D[连接建立]
    D-->D1[ATM网络]
    D-->D2[和传输层区别]

4.2 路由器组成

结构概况

路由：路由处理器（运行路由实体软件）产生路由表

转发：输入端口、输出端口、交换机（根据路由表局部转发）——真实路由器端口既可以输入也可以输出

每个路由器设备涉及三层的数据：物理层、数据链路层、网络层。最多拆分到网络层。

输入端口

  • 物理层：物理信号转换成数字信号；
  • 数据链路层：检测帧头帧尾，检测是否出错，提取目标mac，一致则收取，把帧交给网络层实体；
  • 网络层实体排队，根据路由表，排到队头根据目标IP转发到对应主机。（SDN则查流表，执行对应操作）

为转发地址空间进行划分，不同地址空间转发到不同的端口。采用最长地址前缀匹配的目标地址表项。

一般使用TCAMs( ternary content addressable memories)硬件实现，在IP匹配时也总使用。

  • 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

交换结构

——switch fabric

存在队列缓冲的原因：存在头部阻塞（Head-of-the-Line (HOL) blocking）如多入一出，匹配输入输出速率瞬时不一致性。

局部交换速率要n倍于发送速率（n为输入输出端口个数）

三种典型交换结构：

  1. 基于memory（内存）：第一代，拷贝到系统内存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。——经过两次系统总线，收到内存带宽限制，一次只能转发一个分组。
  2. 基于bus（总线）：此总线不是系统总线，而是switch fabric。——收到总线带宽限制，一次处理一个分组，对于企业网、接入网速度完全够。
  3. 基于crossbar（互联网络）：Banyan（榕树）网络，crossbar(纵横)和其它的互联网络（不同于互联网！）。每次把不同两根线之间短路即可随时接通。可以把分组切开，通过网络时间固定，便于调度。——克服总线带宽限制，对于骨干网来说常使用。

输出端口

  • 物理层：把链路层的数据变成物理信号打出去；
  • 链路层：帧封装，加帧头帧尾，校验等等功能；
  • 网络层：排队，排到队头转发，交给链路层网卡。

存在缓存队列原因：交换结构速度和输出端口瞬时速度不一致。溢出则会被抛弃掉。

存在调度规则，不一定先来的先发（保证对某些应用服务质量的支持）。

缓存建议规则（自己看）：拇指规则等。

调度机制：

  1. FIFO (first in first out)先到先出

    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

  2. 优先权调度：多类，不同类别有不同的优先权。先传高优先级的队列中的分组

  3. Round Robin (RR)：循环所有类，公平轮换。

  4. Weighted Fair Queuing (WFQ)：每种分组享用不同权重的优先级占比。

graph TB
    A[路由器组成]
    A-->B[结构概况]
    B-->B1[三层数据操作]
    A-->C[输入端口]
    C-->C1[最长地址前缀匹配]
    C-->C2[缓存排队]
    A-->D[交换结构]
    D-->D1[内存]
    D-->D2[总线]
    D-->D3[互联网络]
    A-->E[输出端口]
    E-->E1[缓存排队]
    E-->E2[调度机制]

4.3 IP: Internet Protocol

——互联网的网络层：路由协议、ICMP 协议（信令协议：报错、测试网络是否通畅-ping）、IP 协议

IP协议实现数据平面的转发功能：• 地址约定 • 数据报格式 • 分组处理的约定

IP 数据报格式

  • 头部：无选项20字节（有可选项，可变长）
    1. 协议版本号（IPv4 0100）
    2. 头部长度（以一当四，即最后乘4字节）
    3. 数据类型（载荷类型，基本废弃了）
    4. 数据报总长
    5. 16位分组的id标识、标志位、偏移量（用于分片重组）——第二行
    6. TTL（存活倒计时）、上层协议的标识、头部校验和（不校验数据）
    7. 32位源IP、32位目的IP
    8. 可选内容（Options）：一般没有，有的话可以记录自己的路径
  • 内容（载荷）：上层协议传输的数据

分片和重组

  • 网络链路有MTU (最大传输单元)，不同链路层协议的最大承载量不同。

  • 大的IP数据报在网络上被分片，需要在接收端重新拼接起来。（8字节切分）。
  • 路由器转发的时候不去组合，只管转发，不同片可能经过不同的路径。

  • 有某一片（Fragment）没到，所有片全部丢弃。

分片的方法：

  1. 相同的ID，表示属于同一个分组
  2. 不同的偏移量，表明这一片在分组中的未知
  3. 最后一个分片fragflag标记为0，表示后面没有分片了（传完了）

IPv4地址

——IP地址：标识网络设备（主机、路由器）的接口。32位标示，对主机或者路由器的接口编址。

路由器IP地址一般有两个或两个以上IP地址、主机可以只有一个IP地址。

有线以太网网口链接到以太网络、物理上可以使用交换机连接、无线WiFi接口被WiFi基站连接——同一子网下一跳可达，服务由链路层提供。

子网的定义：

  • 设备和接口断开，构成了一个个网络的孤岛。
  • 可以分为纯子网、非纯子网（纯子网组成的）

子网的特点：

  1. 前缀一样（高位部分相同）、
  2. 无需路由器介入（交换机在IP层面看起来就是一跳）——一跳可达

例子，几个子网？

  • 局域网一般多点连接（通过交换机）、长途连接一般只有两点。
  • 一共有6个子网（路由器之间算长途连接，一个子网就两点）

IP 地址分类：

单播地址：点对点

  1. A类：第一位为0，7bit代表网络号，24bit代表主机号
    • 网络数：128-2=126个，全0，全1不使用；
    • 主机数：2^24-2个.
  2. B类：前两位10，14bit代表网络号，16bit代表主机号
    • 网络数：2^14-2个；
    • 主机数：2^16-2个.
  3. C类：前三位110，21bit代表网络号，8bit代表主机号
    • 网络数：2^21-2个；
    • 主机数：2^8-2个.

组播地址：发给属于组内的主机可以接收到

  1. D类：前四位1110，28bit代表组播地址号

  2. E类：前5 为11110，27bit预留将来使用

广播一般不用在互联网，只用在局域网通信。

以子网为单位散播子网可达信息，便于组织，一般通过对不同子网进行聚集进一步简化组织查找。

特殊IP地址：

  • 主机号全为0---本网络

  • 网络号全为0---本网络上的某个主机

  • 32位全为0--本主机

  • 主机部分:全为1--广播地址，这个网络的所有主机
    • 32位全为1--本网络广播地址
    • 只有主机部分全1--远程网络广播地址

  • 127开头：回路地址--到IP层会反转朝上。

内网(专用)IP地址：

——永远不会被当做公用地址来分配，路由器也不会转发这些IP的分组。

  • 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

无类域间路由：CIDR

——按需分配，不完全按照字节进行划分网络号和主机号，根据需求在任意未知切分。

  • a.b.c.d/x, 其中 x 是地址中子网号的长度
  • 子网掩码：32位，1代表网络号，0代表主机号
  • 路由的时候，和子网掩码进行与操作即可提取出子网号。

转发表表项：目标子网号、子网掩码、下一条、接口。

转发算法：目标地址与子网掩码、匹配目标子网号、将分组转发到不同的接口、发送到下一跳。最后一个路由器解析主机号，转发到对应的主机。——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：

一、主机：配置四项信息

  1. 在主机里面配置：IP地址、子网掩码、默认网关、local-nameserver。

  2. DHCP（动态主机配置协议）：自动获取四个信息。允许主机在加入网络的时候，动态地从服务器那里获得IP地址等信息。plug-and-play

    刚开始源地址0.0.0.0表示本机，目标地址255.255.255.255广播。可能有多个DHCP所以还需要第二次握手确认。——运行在UDP之上

    • 主机广播寻找DHCP服务器
    • DHCP 服务器响应
    • 主机请求IP地址
    • DHCP服务器发送地址、子网掩码等四项信息

    自己看一下两次交互的过程

二、子网：从ISP获得地址块中分配一个小地址块

——进一步把主机号做拆分，可以嵌套地划分子网。

层次编址: 路由聚集

  • 子网路由器向主网路由器发布通告，表明该路由器就是该子网前缀的下一条。
  • 主网路由器向自己的ISP发布路由通告，综合多个路由信息向外发布

层次编址: 特殊路由信息

  • 聚集的时候支持有空洞的大概聚集，匹配时可能有多个表项与IP匹配，采用最长前缀匹配。

  • 聚集可以有效减少路由通告的数量，节约资源与计算代价。

  • 不同子网掩码也可以使用同一个路由器进行聚集，如公司收购的情况，通告加入不同表项即可。

三、ISP：向ICANN机构申请

网络地址转换：NAT

——内部有内网地址，在互联网共享一个外网地址，记录每台设备的分组对应于外网的端口即可。

动机：1.省钱（IP不够用），2.可以方便更改内部IP，3.可以更改ISP，而不用改内网IP，4.外部看不到内网情况。

实现:

  • 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
  • 记住每个转换替换对
  • 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）

存在的问题：外部主动连接内部会找不到对应主机和端口，需要进行内网穿透。

争议：

  1. 违反分层原则（网络层更改了传输层内容）
  2. 违反端到端原则，网络核心设备具备了复杂性
  3. 地址短缺问题可以被IPv6 解决

NAT 穿越问题：

  1. 静态配置映射
  2. UPnP协议、IGD协议：动态查询、增加、删除映射表项。
  3. 中继：中继在2个连接之间桥接

IPv6

动机：

IPv4用完、分组切片重组负担很大、每次头部变化需要重新校验、头部格式改变帮助QoS

IPv5是实验室版本，被废弃了。

IPv6不允许分片，128位地址，40 字节头部。分组太大了发送错误报告让源主机自己切分。

头部字段：

  1. 版本号
  2. 优先级
  3. 流标签（对同一个流的数据做同样的处理）
  4. 载荷长度
  5. Next header-上层协议
  6. hop limit-跳数限制
  7. 源、目的IP

移除了Checksum、在头部之外, 被 “Next Header” 字段标示、ICMPv6: ICMP的新版本

从IPv4到IPv6的平移：

迁移：逐步升级，不能设置flag day。

  • 设置同时支持两种协议的路由器进行转换。
  • 隧道Tunneling：在IPv4路由器之间传输的IPv4数据报中携带IPv6数据报

——至少还需要20年以上

graph LR
    A[IP]
    A-->B[数据报格式]
    B-->B1[16位分组的id标识 标志位 偏移量]
    A-->C[分片和重组]
    C-->C1[分片原因]
    C-->C2[分片重组方法]
    A-->D[IPv4]
    D-->D1[子网定义]
    D-->D2[IP地址分类-特殊规定]
    D-->D3[无类域间路由-子网掩码]
    D-->D4[如何获得IP]
    D4-->D41[主机]
    D4-->D42[子网]
    D4-->D43[ISP]
    A-->E[NAT]
    E-->E1[动机 实现 争议]
    A-->F[IPv6]
    F-->F1[动机 数据报格式 向IPv6迁移]

4.4 通用转发和SDN

网络层功能：转发、路由（控制平面数据平面相互配合）——传统方法：垂直集成、分布式实现、每个路由器都包含数据平面和控制平面。

使用原因

传统方法特点：他种类繁多网络设备更改很难，控制平面分布式实现，行为僵化、升级管理很难。

  • 垂直集成：硬件、操作系统、协议都私有
  • 每台设备包含所有层面的功能：控制功能分布式实现
  • 控制逻辑固化：按照固定方式工作

传统方法问题：

  1. 昂贵
  2. 无法改变工作逻辑
  3. 管理困难
  4. 更新困难

——2005年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

SDN：逻辑上集中的控制平面

远程计算流标，通过南向接口发送到每台分组交换设备，增加匹配规则和对应的操作。

  • 可以随时更改升级
  • 可以让多个分组交换机厂商参与竞争——更好的生态
  • 可以在网络操作系统上运行网络应用

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：动作有转发、丢弃、拷贝、泛洪、阻塞
  • 控制平面-控制器+网络应用

分离的优势：

  • 水平集成控制平面的开放实现创造出好的产业生态
  • 集中式实现控制逻辑，网络管理容易
  • 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

——类比: 主框架到PC的演变，水平集成带来业界的繁荣。

传统方法流量工程的问题：

  1. 自主选择路径，只能通过改变链路代价来实现，非常困难且无法按自己需求实现
  2. 两路分拆负载均衡，无法完成，只能完全更换新路由算法
  3. 不同流量走不同路由，无法完成，只能基于目标进行转发

SDN特点：

  1. 分组交换机通过流表进行动作（常见协议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：控制器之上以网络应用形式实现各种网络功能

SDN 架构：

  1. 数据平面交换机：
    • 基于南向API（例如OpenFlow），SDN控制器访问基于流的交换机
    • 使用流表进行匹配控制，流表被控制器计算和安装
    • 采用硬件实现通用转发功能，快速简单
    • 定义了和控制器的协议
  2. 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，物理上可以分布式实现
  3. 控制应用
    • 控制的大脑： 采用下层提供的服务实现网络功能：路由、接入控制、防火墙、负载均衡
    • 非绑定：可以适配不同公司的设备，生态更健康。

通用转发和SDN过程：查看分组条目属性、匹配流表表项（头部、计数、操作等等）、执行对应操作

OpenFlow

数据平面抽象：

  • 流: 由分组（帧）头部字段所定义（广义的分组）
  • 通用转发：简单的分组处理规则
    1. 模式：字段属性
    2. 行动：丢弃、转发、修改等
    3. 优先权：优先选择那个匹配上的表项
    4. 计数器：匹配上后就+1，有#bytes级别和#packets级别

流表的表项结构：

  1. Rule（规则、模式）：十几个字段
  2. Action（行动）：各种操作
  3. Stats（状态、计数）：基于包、基于字节

OpenFlow 抽象：

match+action（匹配+行动模式）: 统一化各种网络设备提供的功能

  • 路由器：基于目标的转发
  • 防火墙：基于目标端口、基于源IP等禁止
  • 交换机：来自对应mac地址的分组进行转发
  • NAT：匹配IP地址和端口号进行重写
  • 各种操作……实现各种各样的功能

例子：精确控制两台主机交互数据的路径，在每台分组交换机的流表中进行配置。

graph TB
    A[通用转发和SDN]
    A-->B[使用原因]
    B-->B1[传统方法问题]
    B-->B2[SDN特点]
    A-->C[SDN]
    C-->C1[水平集成优势]
    C-->C2[SDN架构]
    A-->D[OpenFlow]
    D-->D1[数据平面抽象]
    D1-->D11[流 通用转发 表项结构]
    D-->D2[OpenFlow抽象]
    D2-->D21[match+action]

总结：路由表、流表怎么来？——控制平面（下一章）

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