一、网络层概述

转发和路由选择：数据平面和控制平面

• 
  
  数据平面（转发）
  
  
  • 
    本地
    
  • 每个路由器
    
    自身
    
    的功能
• 
  
  控制平面（路由）
  
  
  • 
    整个网络
    
  • 
    路由器之间通过交互
    
    来实现


SDN

：一个分离的（通常是远程的）

控制器

和路由器本地的

控制代理

交互

• 
  
IP

  (
  
Internet Protocol

  )
  
  • 数据报格式
  • 寻址
  • 网络地址转换
  • 
IPv6

• 路由器
  • 
    检查
    
    通过它的所有
    
IP

    数据报中的头部字段。
  • 沿着端到端的路径，将数据包从输入端口移动到输出端口。
• 两个关键功能
  • 
    转发
    
    • 将数据包从路由器的输入链路
      
      移动
      
      到适当的路由器输出链路
  • 
    路由
    
    • 确定数据包
      
      从源到目标
      
      所采用的
      
      路由
      
      。

网络层的服务模型

• 可能保证
  • 确保交付
  • 具有
    
    时延上限
    
    的确保交付
  • 
    有序
    
    分组交付
  • 确保
    
    最小带宽
    
  • 确保
    
    最大时延抖动
    
  • 
    尽力而为
    
• 
  尽力而为
  
  不保证
  • 
    成功
    
    传送
  • 
    定时
    
    或者
    
    按序
    
  • 端到端的可用带宽

二、路由器的工作原理

• 输入端口
  • 终结入物理链路的物理层功能，与位于入链路远端的数据链路层交互来执行数据链路层功能，在输入端口还要执行查找功能。
• 交换结构
  • 将路由器的输入端口连接到它的输出端口。
• 输出端口
  • 存储分组，传输分组。
• 路由选择处理器
  • 控制平面功能。

输入端口处理器和基于目的地转发

• 路由器使用转发表来查找输出端口。
• 最长前缀匹配

交换

• 经内存交换
  • 在
    
CPU

    的直接控制下完成的
  • 不能同时转发两个分组，即使他们有不同的目的端口
• 经总线交换
  • 不需要理由选择处理器的干预
• 经互联网络交换

输出端口处理

• 取出已经存在输出端口内存中的分组并将其发送到输出链路上。

何处出现排队

• 输入排队
• 输出排队
• 交换结构

分组调度

• 先进先出
• 优先权排队
• 循环和加权公平排队

三、网际协议：IPv4、寻址、IPv6及其他

IPv4数据包格式

• 
  版本
  
  • 
4

    比特
  • 
IP

    协议的版本
• 
  首部长度
  
  • 
4

    比特
  • 使用
    
    单位
    
    来表示，一个单位为四字节。
  • 故首部长度最大为
    
15

    个单位，即
    
60

    个字节。
• 服务类型
• 
  数据报总长度
  
  • 
16

    比特
  • 指首部和数据之和的长度。
  • 故数据报最大可为
    
65535

    字节。
  • 总长度不能超过
    
MTU

    。
• 标识（计数器）
• 标志
• 片偏移
  • 分片后，某片在原分组中的相对位置。
• 
  生存时间
  
  • 数据报在网络中可经过的路由器数的
    
    最大值
    
    。
• 上层协议
• 
  首部检验和
  
  • 
    只检验数据报的首部
    
    不检验数据部分。
• 
  源/目的IP
  
  • 各占
    
4

    字节

IP数据报分片和重组

• 一个
  
  大的分组
  
  可能在路由器中被分割为几个
  
  分片
  
  。
• 在最终的
  
  目的主机
  
  上，将这些分片
  
  重新组装
  
  成一个大的分组。

只针对

UDP


IPv4编址

• 
IP

  地址
  • 分配给主机或路由器
    
    接口的标识符
    
• 接口
  • 主机/路由器与物理链路之间的边界
  • 路由器有多个接口
  • 主机可以有多个接口
  • 
    每个接口有一个
    
IP

    地址
    
• 
IP

  地址有两种
  • 
IPv4

    • 
32

      个二进制位长（
      
4

      字节）
    • 常用点分十进制表示
  • 
IPv6

    • 
128

      个二进制位长（
      
16

      字节）
    • 常用冒号分隔表示
• 地址分类
  
  

IP地址获取

• 手工指定
  • 在系统配置中设置
• 
  
DHCP

  
  • 自动从一个
    
DHCP

    服务器获得
    
IP

  • 还可分配客户的
    
    第一跳路由器的地址
    
    （网关）、
    
DNS

    服务器的
    
IP

    或者域名、子网掩码。
  • 是
    
    应用层协议
    

NAT：网络地址转换

• 外出的分组
  • 替换每个外出的分组的 (源
    
IP

    地址, 端口号) 为 (
    
NAT

    的
    
IP

    地址, 新端口号)
  • 远程客户/服务器用(
    
NAT

    的
    
IP

    地址, 新端口号)作为目的地来响应。
• 在
  
NAT

  
  转换表
  
  中)
  • 记录每个(源
    
IP

    地址, 端口号)到 (
    
NAT

    的
    
IP

    地址, 新端口号) 转换配对。
• 进来的分组
  • 对每个进来的分组，用保存在
    
NAT

    表中的对应的 (源
    
IP

    地址, 端口号) 替换分组中的目的域 (
    
NAT

    的
    
IP

    地址, 新端口号）。

IPv6

• 更大的地址空间
  • 
32

    位到
    
128

    位。
• 扩展的地址层次结构
• 灵活的首部格式
  • 
IPv6

    定义了许多可选的扩展首部。
• 改进的选项
  • 
IPv6

    允许数据报包含有选项的控制信息，其选项放在有效载荷中。
• 允许协议继续扩充。
• 支持即插即用（即自动配置）。
  • 因此
    
IPv6

    不需要使用
    
DHCP

    。
• 支持资源的预分配
  • 
IPv6

    支持实时视像等要求，保证一定的带宽和时延的应用。
• 
IPv6

  首部改为
  
8

  字节对齐
  • 首部长度必须是
    
8

    字节的整数倍。
  • 原来的
    
IPv4

    首部是
    
4

    字节对齐。

• 冒号十六进制记法
  • 每个
    
16

    位的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔。
    • 
68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF

  • 在十六进制记法中，允许把
    
    数字前面的 0 省略
    
    。
    • 例如把
      
0000

      中的前三个
      
0

      省略，写成一个
      
0

      。
  • 冒号十六进制记法可以允许
    
    零压缩
    
    (
    
zero compression

    )，即一连串连续的零可以为一对冒号所取代。
    • 
FF05:0:0:0:0:0:0:B3

      可压缩为:
      
FF05::B3


注意：在任一地址中只能使用一次零压缩。

四、通用转发和SDN

• 每个路由器都包含一个转发表 (
  
forwarding table

  )，也称为流表 (
  
flow table

  )
• 匹配
  • 数据包头字段中的值。
• 动作
  • 对于
    
    匹配的
    
    数据包：
    
    丢弃，转发，修改
    
    匹配的数据包或将匹配的数据包
    
    发送到控制器
    
    。
• 优先级
  • 消除重叠模式
• 计数器
  • 计数
    
byte

    和
    
packet

    数量。