计算机网络第五章

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第五章 网络层：控制平面

网络层控制平面的工作原理

  • 传统路由选择算法
  • SDN 控制器
  • ICMP
  • 网络管理（略）

协议：OSPF, BGP；OpenFlow, ODL 和ONOS控制器, ICMP, SNMP

内部网关协议：RIP、OSPF；外部网关协议：BGP

5.1 导论

数据平面、控制平面

2种构建网络控制平面功能的方法：传统、SDN

SDN：控制器与本地控制代理（CAs） 交互（上一章讲过）

5.2 路由选择算法

简介

两类：链路状态（LS）、距离矢量（DV）

路由选择算法(routing algorithm)：网络层软件的一部分,完成路由功能

路由：按照某种指标(传输延迟,所经过的站点数目等)找到一条从源节点到目标节点的较好路径。（较好：某种指标较小——跳数、延迟、费用、队列长度等等，体现了使用者偏好）

以网络为单位进行路由：路由信息传输、计算和匹配的代价低。计算网络到其他网络如何走。

可以认为是子网到子网的路由，子网出口和最终子网下发路径没有悬念。子网路由进一步可以聚集。——找到路由器之间（子网之间）的最佳路径。

网络的图抽象：

  • 输入：
    1. 网络拓扑（节点-路由器、边-链路）
    2. 边权重-代价
    3. 源节点
  • 输出：源到任意节点的最优路径（汇集树）

——汇集树（最小生成树）：此节点到所有其它节点的最优路径形成的树。

路由选择算法的原则：正确性、简单性、健壮性（带宽、拓扑）、稳定性、公平性、最优性（次优性-某项指标最优）

路由算法分类：

  1. 全局：有完整的拓扑和边的代价的信息——LS算法
  2. 分布式：周边邻居信息（局部信息）——DV算法
  • 静态-非自适应、动态-自适应（大部分是动态的）：适应网络拓扑变化、适应通信量的变化

——即迪杰斯特拉算法

工作过程：

  1. 获得整个网络拓扑, 网络中所有链路代价等信息
  2. 用LS路由算法,计算本站点到其它站点的最优路径
  3. （分组转发-数据平面）

链路状态路由选择（LS）

生成链路状态分组（自己邻居的可达情况）、泛洪、Dijkstra算法（独立、迭代）

  1. 发现相邻节点，向所有线路发送HELLO分组，发送HELLO应答

  2. 测量到相邻节点的代价(延迟,开销)——回送一个ECHO分组

  3. 组装一个分组，描述相邻节点的情况——链路状态分组

  4. 将分组通过扩散的方法发到所有其它路由器——泛洪

    避免广播风暴：设置TTL（年龄字段）、记录转发情况（顺序号）

    保证收到，未收到确认信号就一直重复发送。——可靠泛洪

  5. 通过Dijkstra算法找出最短路径

经典LS算法实现协议：OSPF、IS-IS

Dijkstra算法：

准备：

  • c(i,j)链路代价、D(v)当前路径代价、p(v)路径中的前序节点（倒着的指针）、N’当前已经知道最优路径的的节点集合（永久节点）

  • 节点标记：每一个节点使用(D(v),p(v))标记

  • 2类节点：临时、永久

算法过程：

  • 初始化，源节点为永久节点、标记源节点的邻居节点的前序节点
  • 临时节点中找到一个节点代价最小的临时节点，变为永久节点
  • 对临时节点中的邻居进行重新标记
  • 开始新循环直到所有节点都成为永久节点

可以在图上直接做，也可以参考列表的方式进行标记。——复杂度O(n^2)，有O(nlogn)的实现

讨论：可能会造成震荡。最快路径都去选择，下一周期就会拥塞

distance vector （DV）

——距离矢量路由选择 即Bellman Ford算法

  • 每个节点维护一张路由表：目标、代价、下一跳邻居。
  • 相邻两邻居定期交换距离矢量
  • 根据获得的路由信息,更新路由表

迭代式算法，需要多步迭代才能获得较稳定的结果。

  1. 相邻节点间代价通过真实定期测量获得：跳数(hops), 延迟(delay),队列长度

  2. 定期与相邻节点交换距离矢量路由表(DV)

实测+交换得到的距离矢量，取最小代价路径，选定下一节点。

具体例子：注意自己到自己不要再从邻居计算！

特性：好消息传的快 坏消息传的慢

Bellman-Ford 方程(动态规划)：

——不停地迭代最终会收敛到真实情况

  • 每个节点维护自己的距离矢量
  • 定时测量到所有邻居的代价
  • 收到并维护一个它邻居的距离矢量集

核心思路：

  1. 定时将自己的距离矢量估计值传送给邻居，让对方算
  2. x从邻居收到DV时，自己运算，更新它自己的距离矢量

——最终收敛于实际的最小代价值：分布式、异步迭代算法

  • 异步迭代：本地链路代价变化了、邻居距离矢量变化导致迭代计算
  • 分布式：每个节点只是在自己的DV改变之后向邻居通告

DV的无穷计算问题：

  • 好消息传的快：好消息的传播以每一个交换周期前进一个路由器 的速度进行

  • 坏消息传的慢：断线会形成环路，每次迭代代价+1，无限次之后, 到A的距离变成INF,不可达

  • 减少环路方法：水平分裂——可达信息来源邻居，对它表达自己到对应节点的可达信息为INF。坏消息以一次交换一个节点的速度传播。（有环状链路的网络中就无能为力了）

例子：时空图，每次更新自己的距离矢量，三节点网络经过三次迭代收敛到真实状态。

LS 和 DV 算法的比较

  1. 消息复杂度：DV传输的少，更优
  2. 收敛时间：LS更短，更优
  3. 健壮性：路由器故障时LS更健壮——错误信息影响较小

——2种路由选择算法都有其优缺点，而且在互联网上都有应用

graph TB
    A[路由选择算法]
    A-->B[简介]
    B-->B1[路由概念]
    B-->B2[图抽象]
    B-->B3[算法分类]
    A-->C[LS链路状态]
    C-->C1[工作过程]
    C-->C2[Dijkstra]
    A-->D[DV距离矢量]
    D-->D1[Bellman-Ford方程]
    D-->D2[无穷计算]
    C-->E
    D-->E
    E((二者对比))

5.3 因特网中自治系统内部的路由选择

——内部网关协议，有RIP（DV）和OSPF（LS）

RIP

——Routing Information Protocol 路由信息协议

  • 每条链路cost=1，max = 15 hops，16代表不可达
  • DV每隔30秒和邻居交换DV，通告
  • 每个通告包括：最多25个目标子网

通告：

  • 定期30s或请求就发
  • 最多25个：适用于小网络

——代价小，比较简单

链路失效和恢复：

  • 如果180秒没有收到通告信息-->邻居或者链路失效
  • 新的通告报文会传递给邻居
  • 毒性逆转——水平分裂，达到16即可认为不可达

进程处理：

  • 以应用进程的方式实现
  • 通告报文通过UDP报文传送
  • 网络层的协议使用了传输层的服务，以应用层实体的方式实现

OSPF

——Open Shortest Path First 开放最短路径优先（标准可公开获得）

  • OSPF通告信息中携带：自己是谁、TTL、每一个邻居路由器一个表项
  • 通告信息会传遍AS全部（通过泛洪）

IS-IS路由协议：几乎和OSPF一样

“高级” 特性：

  1. 安全: 所有的OSPF报文都是经过认证的，不允许伪造
  2. 允许有多个代价相同的路径存在（负载均衡）
  3. 不同的TOS有多重代价矩阵（多种指标的最优路径）
  4. Multicast OSPF (MOSPF) ——多播
  5. 在大型网络中支持层次性OSPF

层次化的OSPF路由：只在自己的范围内进行泛洪，跨小区域的分组路由借由内部路由器（internal routers）、区域边界路由器（area boundary router）、骨干路由器（backbone router）传输，要路由到其他自治区域还要借助主边界路由器（boundary router）进行传输。

graph TB
    A[AS内部路由选择算法]
    A-->B[RIP]
    B-->B1[通告]
    B-->B2[链路失效和恢复]
    B-->B3[进程处理]
    A-->C[OSPF]
    C-->C1[高级特性]
    C-->C2[层次化]

5.4 ISP之间的路由选择: BGP

——自治区域之间进行路由

层次路由

自治区域AS（一个平面的路由）：每次交换信息所有路由器地位一样，维护所有路由器的可达信息。——巨型网络代价太大。

平面路由的问题：

  • 规模巨大的网络中，路由信息的存储、传输和计算代价巨大
  • 管理问题：按照自己的方式管理网络，隐藏自己网络的细节

层次路由：“autonomous systems” （AS）

  • 将互联网分成一个个AS(路由器区域)
    • 一个AS用AS Number （ASN)唯一标示
    • 一个ISP可能包括1个 或者多个AS
  • 每个区域内采用自己的路由协议算法
  • 自治区域之间运行AS间路由协议

优点：

  1. 解决了规模问题：AS内部规模可控、每次在总体增加一个节点，扩展性强。
  2. 解决了管理问题：各个AS运行不同的内部网关协议、不透露自己的细节。

BGP

互联网AS间路由：BGP

——BGP (Border Gateway Protocol)：边界网关协议-将互联网各个AS粘在一起的胶水

两种方法：

  1. eBGP（相邻的ASes那里获得子网可达信息）
  2. iBGP（将可达信息传遍到AS内部的所有路由器）

——基于改进的距离矢量算法：不仅包含代价、也包含详细路径（可以避免环路，保证收敛速度）

网关路由器同时运行eBGP和iBGP协议，通过eBGP向其他网关路由器通告自己的子网可达信息，转发其他的子网可达信息，信息包含在TCP分组当中，使用内部网关协议进行路由。（红色的虚线不是物理链路，只是TCP虚拟逻辑链接）

BGP基础

  1. BGP 会话：两个BGP路由器（peers）开机就建立半永久TCP连接，交换BGP报文，通告向不同目标子网前缀的“路径”——“路径矢量”协议，包含每一步到达子网X的跳数序列。
  2. 路径的属性& BGP路由：
    • 属性：AS-PATH、NEXT-HOP（本AS中从哪个网关送走）
    • 路由：自治区之间更加强调策略——哪些转发哪些屏蔽，是否接受是否转发等等。
  3. 路径通告：
    • 基本过程：eBGP从其他AS接受通告，iBGP通告给自己AS内部的路由器，连接其他AS的路由器转发通告，加码（加入本AS的跳）
    • 多条可达信息通告时，保留更优的可达路径——对路径打分（基于策略-政治策略、经济策略）
  4. BGP报文：OPEN、UPDATE、KEEPALIVE、NOTIFICATION——非常复杂，本科了解即可
  5. BGP OSPF, 转发表表项：内部普通路由器通过iBGP学习到了子网X，如何选择网关到达对应子网路由器。根据内部网关协议选择最优路径，内外结合匹配。——路由表项是由AS内和AS间的路由共同决定的。
  6. BGP 路径选择：
    • 本地偏好值属性
    • 最短AS-PATH（跳数）
    • 最近的NEXT-HOP路由器：热土豆路由——尽快送出去，不操心域间代价
    • 附加的判据（随机、BGP标示等）
  7. 通过路径通告执行策略：每个ISP感知到的网络和真实不一致（没有收益的路径不去通告）；多宿桩网络，接入多个ISP，一般不会通告自己的ISP可达信息帮助不同ISP传递信息。

为什么内部外部那么不同？

  • 策略：AS内无需策略，尽可能快；AS外控制通信路径
  • 规模：AS内不用太考虑，因为可以细分AS；AS外必须考虑规模
  • 性能：AS内性能第一；AS外会有政治、经济等考虑因素
graph TB
    A[ISP间路由选择算法]
    A-->B[层次路由]
    B-->B1[AS概念]
    B-->B2[平面路由问题]
    B-->B3[层次路由优点]
    A-->C[BGP]
    C-->C1[BGP基础了解]
    C-->C2[使用原因]
    C-->D((eBGP))
    C-->E((iBGP))

5.5 SDN控制平面

复习

传统方式 vs SDN方式——水平集成：南向接口、网络操作系统（网络控制器）、本地控制代理、流表

管理更加容易、可编程（集中式）——可以实现各种功能、未来的功能。

传统方式无法设置路径、负载均衡、不同流量采取不同的路由方式。

——基于流表的匹配+行动模式。

SDN 架构：（上一章讲过）

  1. 数据平面交换机
  2. SDN控制器
  3. 控制应用

SDN控制器

SDN控制器里的元件：

  1. 通信层：南向接口（OpenFlow SNMP）
  2. 网络范围的状态管理层：分布式数据库
  3. 网络控制应用的界面层：抽象API（北向接口）

OpenFlow 协议：

  • 控制器和分组交换机交互协议
  • TCP 交换、加密可选
  • 3种OpenFlow报文类型：控制器>交换机、异步（交换机>控制器）、对称
  1. 控制器-交换机
    • 特性：状态查询
    • 配置：设置参数
    • 修改状态：增删查改流表
    • packet-out：没匹配到的分组下发转发方案
  2. 交换机-控制器
    • 分组进入：没匹配到的分组发给控制器让控制器决定
    • 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

——网络管理员编程app，自动生成对应流表下发给分组交换机。

例子：

  1. 南向接口上报
  2. 控制器更改信息库，通告应用程序
  3. 北向接口被调用（之前注册过）
  4. 应用程序重新运行路由选择
  5. 下发路由信息到控制器自动计算流表
  6. 控制器更新分组交换机的流表

SDN控制器类型：（了解即可）

  1. OpenDaylight (ODL) 控制器：北向接口叫REST API——控制应用可以在控制器内也可以在控制器外
  2. ONOS 控制器——控制应用和控制器分离

SDN面临的挑战：

  1. 可靠性（SDN控制器失效会宕机）
  2. 性能可扩展性：性能跟不上会成为瓶颈
  3. 可信性：安全性，怎样认证
  4. 特殊应用场景：实时性，超高可靠性、超高安全性
  5. 互联网络范围内的扩展性（全网）
graph TB
    A[SDN控制平面]
    A-->B[复习]
    A-->C[SDN控制器]
    C-->C1[元件]
    C-->C2[OpenFlow协议]
    C-->C3[控制器类型]
    C-->C4[挑战]

5.6 ICMP: 因特网控制报文协议

  • 由主机、路由器、网关用于传达网络层控制信息：错误报告、Echo 请求和回复（ping）
  • 处在网络层，运行在IP协议上（侵入传输层）
  • ICMP 报文：类型、编码、第一个导致该ICMP报文IP数据报的头8B

例：ICMP做跟踪路由（发送测试包到不可达端口，中途路由器发送type11 code0回复，三次取平均计算RTT；目标主机发送type3 code3，收到停止）

5.7 网络管理和SNMP

——自治系统（autonomous systems AS）的管理

5大功能：

  1. 性能管理
  2. 故障管理
  3. 配置管理
  4. 账户管理
  5. 安全管理

网络管理架构：

  • 管理实体
  • 被管设备（被管对象）数据被收集在Management Information Base (MIB)

SNMP协议：

  1. 请求/响应模式
  2. 陷阱模式

报文类型（略）

总结

  • 控制平面功能实现：传统、SDN
  • 传统路由选择算法：DV、LS
  • 协议：內部（RIP、OSPF）、外部（BGP）
  • SDN方式的实现
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