计算机网络/学习笔记四/《计算机网络（自顶向下方法 第七版）》

发布于：2022-11-08 ⋅ 阅读:(291) ⋅ 点赞:(0)

课程资源

  1. 课程网站：http://staff.ustc.edu.cn/~qzheng/teaching.html
  2. 课程视频：https://www.bilibili.com/video/BV1JV411t7ow/
  3. 课程教材：计算机网络（自顶向下方法 第7版），机械工业出版社，2016

第四章

网络层：数据平面

1、网络层导论

网络层服务与功能

  • 服务
    • 在发送主机和接收主机对之间传送段（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数据报的头部
  • 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，硬件实现，几纳秒
    • 路由选择: 使用路由选择算法来决定分组从发送主机到目标接收主机的路径，软件实现，几秒
      • 路由选择算法
      • 路由选择协议

数据平面与控制平面

  1. 数据平面
  • 是每个路由器的功能，决定从路由器输入端口到达的分组如何转发到输出端口，即实现转发功能
    • 传统方式：基于目标地址+转发表
    • SDN方式：基于多个字段+流表
  1. 控制平面
  • 是网络范围的逻辑，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的端到端路径，即实现路由选择功能
    • 传统的路由算法: 在路由器中被实现
    • software-defined networking (SDN): 在远程的服务器中实现
  1. 传统方式
  • 在每一个路由器中的单独路由器算法元件，在控制平面进行交互
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4. 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
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2、路由器组成

路由器结构

  • 高层面(非常简化的)通用路由器体系架构
    • 路由：运行路由选择算法／协议 (RIP, OSPF, BGP)-生成路由表
    • 转发：从输入到输出链路交换数据报-根据路由表进行分组的
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输入端口

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  • 最长前缀匹配
    • 当给定目标地址查找转发表时，采用最长地址前缀匹配的目标地址表项
  • 输入端口缓存
    • 当交换机构的速率小于输入端口的汇聚速率时， 在输入端口可能要排队
      • 排队延迟以及由于输入缓存溢出造成丢失
    • Head-of-the-Line (HOL) blocking: 排在队头的数据报阻止了队列中其他数据报向前移动
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交换结构

  • 将分组从输入缓冲区传输到合适的输出端口
  • 交换速率：分组可以按照该速率从输入传输到输出
    • 运行速度经常是输入/输出链路速率的若干倍
    • N 个输入端口：交换机构的交换速度是输入线路速度的N倍比较理想，才不会成为瓶颈
  • 通过内存交换
    • 在CPU直接控制下的交换，采用传统的计算机
    • 分组被拷贝到系统内存，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
    • 转发速率被内存的带宽限制 (数据报通过BUS两遍)
    • 一次只能转发一个分组
  • 通过总线交换
    • 数据报通过共享总线，从输入端口转发到输出端口
    • 总线竞争: 交换速度受限于总线带宽
    • 1次处理一个分组
  • 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
    • Banyan（榕树）网络，crossbar(纵横)和其它的互联网络被开发，将多个处理器连接成多处理器
    • 当分组从端口A到达，转给端口Y；控制器短接相应的两个总线
    • 高级设计：将数据报分片为固定长度的信元，通过交换网络交换
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输出端口

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  • 输出端口排队
    • 排队带来延迟，由于输出端口缓存溢出则丢弃数据报
  • 调度机制

    • 调度: 选择下一个要通过链路传输的分组

    • FIFO (first in first out) scheduling: 按照分组到来的次序发送

      • 丢弃策略: 如果分组到达一个满的队列，哪个分组将会被抛弃?
        • 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

    • 优先权调度：发送最高优先权的分组

      • 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
      • 高（低）优先权中的分组传输次序：FIFO
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    • Round Robin (RR) scheduling:

      • 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 (WFQ):

      • 一般化的Round Robin
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3、IP:Internet Protocol

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IP数据报格式

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IP分片/重组

  • 网络链路有MTU (最大传输单元) –链路层帧所携带的最大数据长度
    • 不同的链路类型
    • 不同的MTU
  • 大的IP数据报在网络上被分片(“fragmented”)
    • 一个数据报被分割成若干个小的数据报
      • 相同的ID
      • 不同的偏移量
      • 最后一个分片标记为0
    • “重组”只在最终的目标主机进行
    • IP头部的信息被用于标识，排序相关分片
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IPv4

  • IP编址

    • IP 地址: 32位标示，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
      • 路由器通常拥有多个接口
      • 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地址和一个接口相关联

  • 子网(Subnets)

    • 一个子网内的节点（主机或者路由器）它们的IP地址的高位部分相同，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
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  • IP地址分类
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    • 特殊IP地址
      • 子网部分: 全为 0—本网络
      • 主机部分: 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
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  • IP编址：CIDR（Classless InterDomain Routing无类域间路由）

    • 子网部分可以在任意的位置
    • 地址格式: a.b.c.d/x, 其中 x 是 地址中子网号的长度

  • 子网掩码(subnet mask)

    • 32bits , 0 or 1 in each bit
      • 1: bit位置表示子网部分
      • 0:bit位置表示主机部分
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  • 获得一个IP地址：

    • DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol),动态主机配置协议
      • 是一个应用层协议
      • 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
      • DHCP可以自动分配IP、子网掩码、网关、DNS。
      • DHCP客户端使用的端口68，服务端使用端口67，使用的UDP应用层的协议。
      • DHCP一般不为服务器分配IP，因为他们要使用固定IP，所以DHCP一般只为办公环境的主机分配IP。
    • 获取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
    • 一个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，解决冲突

NAT：网络地址转换

  • 动机: 本地网络只有一个有效IP地址
    • 不需要从ISP分配一块地址，可用一个IP地址用于所有的（局域网）设备–省钱
    • 可以在局域网改变设备的地址情况下而无须通知外界
    • 可以改变ISP（地址变化）而不需要改变内部的设备地址
    • 局域网内部的设备没有明确的地址，对外是不可见的–安全
  • 实现: NAT 路由器必须
    • 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 …远端的C/S将会用NAP IP地址，新端口号作为目标地址
    • 记住每个转换替换对（在NAT转换表中）
    • 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）
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  • 争议
    • 路由器只应该对第3层做信息处理，而这里对端口号（4层）作了处理
    • 违反了end-to-end 原则
      • 端到端原则：复杂性放到网络边缘
        • 无需借助中转和变换，就可以直接传送到目标主机
      • NAT可能要被一些应用设计者考虑, eg, P2P applications
      • 外网的机器无法主动连接到内网的机器上
    • NAT穿越： 如果客户端需要连接在NAT后面的服务器？
      • 方案1: 静态配置NAT：转发进来的对服务器特定端口连接请求
        •  e.g., (123.76.29.7, port 2500)总是转发到10.0.0.1 port 25000
      • 方案2: Universal Plug and Play(UPnP) Internet GatewayDevice (IGD) 协议. 允许NATted主机可以:
        • 获知网络的公共 IP地址(138.76.29.7)
        • 列举存在的端口映射
        • 增/删端口映射 (在租用时间内)
      • 方案 3: 中继 (used in Skype)
        • NAT后面的服务器建立和中继的连接
        • 外部的客户端链接到中继
        • 中继在2个连接之间桥接
    • 地址短缺问题可以被IPv6 解决

IPv6

  • 动机

    • 初始动机: 32-bit地址空间将会被很快用完
    • 另外的动机:
      • 头部格式改变帮助加速处理和转发
        • TTL-1
        • 头部checksum
        • 分片
      • 头部格式改变帮助QoS

  • 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
      • ICMPv6: ICMP的新版本
        • 附加了报文类型, e.g. “Packet Too Big”
        • 多播组管理功能
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  • 隧道：从IPv4到IPv6的平移

    • 在IPv4和IPv6路由器混合时，网络如何运转？
    • 隧道: 在IPv4路由器之间传输的IPv4数据报中携带IPv6数据报
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4、通用转发和SDN

SDN（software-defined networking）：逻辑上集中的控制平面

  • 网络设备数据平面和控制平面分离
    • 数据平面-分组交换机
      • 将路由器、交换机和目前大多数网络设备的功能进一步抽象成：按照流表（由控制平面设置的控制逻辑）进行PDU（帧、分组）的动作（包括转发、丢弃、拷贝、泛洪、阻塞）
      • 统一化设备功能：SDN交换机（分组交换机），执行控制逻辑
    • 控制平面-控制器+网络应用
      • 分离、集中
      • 计算和下发控制逻辑：流表
  • 优势
    • 水平集成控制平面的开放实现（而非私有实现），创造出好的产业生态，促进发展
    • 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
      • 实现流量工程等高级特性
  • 架构

    • 数据平面交换机

      • 流表被控制器计算和安装
      • 基于南向API（例如OpenFlow），SDN控制器访问基于流的交换机

    • SDN 控制器(网络OS)

      • 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，但是在实现上通常由于性能、可扩展性、容错性以及鲁棒性采用分布式方法
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    • 网络控制应用

      • 控制的大脑： 采用下层提供的服务（SDN控制器提供的API)，实现网络功能
      • 非绑定：可以被第三方提供，与控制器厂商以通常上不同，与分组交换机厂商也可以不同

OpenFlow

  • 每个路由器包含一个流表（被逻辑上集中的控制器计算和分发）
    • 流: 由分组（帧）头部字段所定义
    • 通用转发: 简单的分组处理规则
      • 模式: 将分组头部字段和流表进行匹配
      • 行动：对于匹配上的分组，可以是丢弃、转发、修改、将匹配的分组发送给控制器
      • 优先权Priority: 几个模式匹配了，优先采用哪个，消除歧义
      • 计数器Counters: #bytes 以及 #packets
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