概述

两种重要的网络层功能：转发和路由选择。（forwarding and routing）

• 数据层面（Data plane）：
  • local, per-router function
  • determines how datagram arriving on router input port is forwarded to router output port
  • forwarding function
• 控制层面（Control plane）：
  • network-wide logic
  • determines how datagram is routed among routers along end-end path from source host to destination host
  • two control-plane approaches:
    1. traditional routing algorithms: implemented in routers
    2. software-defined networking (SDN): implemented in (remote) servers

网络服务模型：

• 传递一个分组：
  • 确保交付。
  • 具有时延上界的确保交付。
• 传递分组流：
  • 有序分组交付。
  • 确保最小带宽
  • 确保最大时延抖动。
  • 安全性服务。

仅在网络层提供连接服务的计算机网络称为虚电路(Virtual-Circuit, VC)网络；仅在网络层提供无连接服务的计算机网络称为数据报网络(datagram network)。

路由器工作原理

路由器的四个组成部分：

• 输入端口
• 交换结构
• 输出端口
• 路由选择处理器

输入端口

线路段接->数据链路层协议处理->查找、转发、排队->交换结构

• destination-based forwarding: forward based only on destination IP address (traditional).
  • forwarding table: Destination Address Range->Link Interface.
  • Longest prefix matching.
• generalized forwarding: forward based on any set of header field values.

交换结构

• 经内存交换
• 经总线交换
• 经互联网络交换（纵横式交换机）

输出端口

交换结构->排队、缓存管理->数据链路层协议封装->线路端接

缓存长度

缓存数量 (B) 应当等于平均往返时延(RTT)乘以链路的容量©，即 B = RTT·C

当有大量的 TCP 流 (N) 流过一条链路时，B = RTT·C√N

调度机制

• 先进先出，FIFO
• 优先级调度
• Round Robin (RR) scheduling
• Weighted Fair Queuing (WFQ)
• 随机早期检测，RED

网络协议：IP

网络层的三个重要组件：

• IP 协议，IP Protocol
• 路由选择部分，Routing Protocol
• 网络层差错和信息报告的协议，ICMP Protocol

数据报格式

可变的首部，一般为20字节（不包含选项）。

IPv4 编址

• 子网(subnet)
• 无类别域间路由选择(Classless Interdomain Routing, CIDR)
• 地址聚合(address aggregation)或路由聚合( route aggregation)

获取 IP 地址：动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration, DHCP)，即插即用协议(plug-and- play protocol)

• DHCP 服务器发现（255.255.255.255）
• DHCP 服务器提供（255.255.255.255）
  • IP 地址
  • 默认路由器
  • 默认 DNS 服务器
  • 网络掩码
• DHCP 请求
• DHCP ACK

网络地址转换(Network Address Translation, NAT)：使用 NAT 转换表( NAT translation table)，将 LAN 中不同 IP 地址转换为 WAN 中同一 IP 的不同端口号。但是 NAT 协议违反了端到端的原则，阻碍了 P2P 应用，可以使用NAT 穿越。

IPv6

IPv6 数据报格式，有固定的40字节的首部。

IPv6 中移除了 IPv4 的字段：

• 分片/重新组装：只在源与目的地上执行，简化路由器，加快了网络中的 IP 转发速度。
• 首部检验和：依靠运输层和数据链路层的检验操作。
• 选项：下一个首部可以为选项地址也可以为链路层协议地址。

IPv4 到 IPv6 的迁移：

• 双栈
• 建隧道（使用 IPv4 数据报包裹 IPv6 数据报）

广义转发和 SDN

流程表（flow table）

• Pattern: match values in packet header fields.
• Actions: for matched packet: drop, forward, modify, matched packet or send matched packet to controller.
• Priority: disambiguate overlapping patterns.（消除歧义）
• Counters: #bytes or #packets.

可以被用在：

• 路由器
  • match: longest destination IP prefix.
  • action: forward out a link.
• 交换机
  • match: destination MAC address.
  • action: forward or flood.
• 防火墙
  • match: IP addresses and TCP/UDP port numbers.
  • action: permit or deny.
• NAT
  • match: IP address and port.
  • action: rewrite address and port.

最后

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