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第四章网络层：数据平面

第四章网络层：数据平面

1、导论

1.1 网络层：数据平面

本章目标：
- 理解网络服务的基本原理，聚焦于其
  
  数据平面
  - 网络服务模型
  - 转发和路由
  - 路由器工作原理
  - 通用转发
- 互联网中网络层协议的实例和实现
网络层服务

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

网络层的关键功能

网络层功能：
- 转发：将分组从路由器的输入接口转发到合适的输出接口
- 路由：使用路由算法来决定分组从发送主机到目标接收主机的路径
  - 路由选择算法
  - 路由选择协议
    
    路由的类比：
- 转发:通过单个路口的过程
- 路由:从源到目的的路由路径规划过程

1.2 网络层：数据平面、控制平面

数据平面
- 本地，每个路由器功能
- 决定从路由器输入端口到达的分组如何转发到输出端口
- 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
控制平面
- 网络范围内的逻辑
- 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
- 2个控制平面方法:
  - 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

1.3 网络层：控制平面

传统方式：每一路由器(per-router)控制平面

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
传统方式：路由和转发的相互作用
SDN方式：逻辑集中的控制平面

一个不同的（通常是远程的）控制器与本地控制代理（CAs)
网络服务模型

Q:从发送方主机到接收方主机传输数据报的“通道” ，网络提供什么样的服务模型？

对于单个数据报的服务:
- 可靠传送
- 延迟保证，如：少于 40ms的延迟
对于数据报流的服务:
- 保序数据报传送
- 保证流的最小带宽
- 分组之间的延迟差
连接建立
- 在某些网络架构中是第三个重要的功能
  - ATM, frame relay, X.25
- 在分组传输之前，在两个主机之间，在通过一些路由器所构成的路径上建立一个网络层连接
  - 涉及到路由器
- 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 (TCP连接)

2、路由器组成

2.1 路由器结构概述

高层面（非常简化的）通用路由器体系结构

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

转发

2.2 输入端口功能

2.3 最长前缀匹配

我们将会在学习IP地址时，简单讲解为什么要采用最长前缀匹配
最长前缀匹配：在路由器中经常采用TCAMs( ternary content addressable memories)硬件来完成
- 内容可寻址：将地址交给TCAM，它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

2.4 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

2.5 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
3种典型的交换结构
通过内存交换

第一代路由器：
- 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
- 1 Gbps bus, Cisco 1900； 32 Gbps bus, Cisco 5600；对于接入或企业级路由器，速度足够（但不适合区域或骨干网络）
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
- Cisco12000：以60Gbps的交换速率通过互联网络

2.6 输出端口

数据报（分组）可能被丢弃，由于拥塞，缓冲区没有空间

当数据报从交换机构的到达速度比传输速率快就需要输出端口

缓存
由

调度规则

选择排队的数据报进行传输
输出端口排队
- 假设交换速率Rswitch是Rline的N倍（N：输入端口的数量)
- 当多个输入端口同时向输出端口发送时，缓冲该分组（当通过交换网络到达的速率超过输出速率则缓存）
- 排队带来延迟，由于输出端口缓存溢出则丢弃数据报！

2.7 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:丢失刚到达的分组
  - priority:根据优先权丢失/移除分组
  - random:随机的丢失/移除
调度策略：优先权

==优先权调度：==发送最高优先权的分组
1. 多类，不同类别有不同的优先权
  - 类别可能依赖于标记或者其他的头部字段, e.g. IP source/dest, port numbers, ds，etc.
  - 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
调度策略：其他的
1. 多类
2. 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

3、IP:Internet Protocol

3.1 数据报格式

互联网的网络层

主机，路由中的网络层功能
IP数据报格式

3.2 分片和重组

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

3.3 IPV4地址

IP编址：引论
- 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)
- IP地址：
  - 子网部分(高位bits)
  - 主机部分（低位bits)
- 什么是子网(subnet) ?
  - 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
- 判断方法：
  - 要判断一个子网, 将每一个接口从主机或者路由器上分开,构成了一个个网络的孤岛
  - 每一个孤岛（网络）都是一个都可以被称之为 subnet.
  - 子网掩码：11111111 11111111 11111111 00000000
  - Subnet mask:/24
IP地址分类
- Class A：126 networks ，16 million host
- Class B：16382networks ，64 K hosts
- Class C：2 million networks ，254 host
- Class D：multicast
- Class E：reserved for future

特殊IP地址
- 一些约定：
  - 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
内网（专用)IP地址
- 专用地址：地址空间的一部份供专用地址使用
- 永远不会被当做公用地址来分配, 不会与公用地址重复
  - 只在局部网络中有意义，区分不同的设备
- 路由器不对目标地址是专用地址的分组进行转发
- 专用地址范围
  - 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
IP编址：CIDR

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
- 200.23.16.0/23
- 子网掩码：11111111 11111111 11111110 00000000
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
- 原始的A、B、C类网络的子网掩码分别是
  - A：255.0.0.0 ：11111111 00000000 0000000 00000000
  - B：255.255.0.0：11111111 11111111 0000000 00000000
  - C：255.255.255.0：11111111 11111111 11111111 00000000
- CIDR下的子网掩码例子：
  - 11111111 11111111 11111100 00000000
- 另外的一种表示子网掩码的表达方式
  - 例：/22：表示前面22个bit为子网部分
转发表和转发算法
- 获得IP数据报的目标地址
- 对于转发表中的每一个表项
  - 如 (IP Des addr) & (mask)== destination, 则按照表项对应的接口转发该数据报
  - 如果都没有找到,则使用默认表项转发数据报
如何获得一个IP地址

Q:主机如何一个IP地址?
- 系统管理员将地址配置在一个文件中
  - UNIX:/etc/rc.config
- DHCP:Dynamic Host Configuration Protocol:从服务器中动态获得一个IP地址

3.4 DHCP:Dynamic Host Configuration Protocol

==目标：==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：
- 可以更新对主机在用IP地址的租用期-租期快到了
- 重新启动时，允许重新使用以前用过的IP地址
- 支持移动用户加入到该网络（短期在网）
DHCP工作概况：
- 主机广播“DHCP discover” 报文[可选]
- DHCP 服务器用 “DHCP offer”提供报文响应[可选]
- 主机请求IP地址：发送 “DHCP request” 报文
- DHCP服务器发送地址：“DHCP ack” 报文
DHCP client-server scenario
DHCP:不仅仅是IP addresses

DHCP 返回:
- IP 地址
- 第一跳路由器的IP地址（默认网关）
- DNS服务器的域名和IP地址
- 子网掩码 (指示地址部分的网络号和主机号)
DHCP:实例
- 联网笔记本需要获取自己的IP地址，第一跳路由器地址和DNS服务器：采用 DHCP协议
- DHCP 请求被封装在UDP段中, 封装在IP数据报中，封装在以太网的帧中
- 以太网帧在局域网范围内广播 (dest: FFFFFFFFFFFF) ,被运行DHCP服务的路由器收到
- 以太网帧解封装成IP，IP 解封装成UDP，解封装成 DHCP
- DHCP服务器生成DHCP ACK，包含客户端的IP地址，第一跳路由器的IP地址和DNS域名服务器的IP地址
- DHCP服务器封装的报文所在的帧转发到客户端，在客户端解封装成DHCP报文
- 客户端知道它自己的IP地址，DNS服务器的名字和IP 地址，第一跳路由器的IP地址
如何获得一个IP地址

Q:如何获得一个网络的子网部分?

A：从ISP获得地址块中分配一个小地址块
层次编址: 路由聚集（route aggregation）
IP编址：如何获得一块地址

Q:一个ISP如何获得一个地址块?

A：: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers
- 分配地址
- 管理DNS
- 分配域名，解决冲突

3.5 NAT:Network Address Translation

NAT:
==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）
  
  …源IP，端口 VS NAP IP ,新端口
- 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）
NAT:
- 16-bit端口字段:
  - 6万多个同时连接，一个局域网!
- 对NAT是有争议的:
  - 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
  - 地址短缺问题可以被IPv6 解决
  - NAT穿越:如果客户端需要连接在NAT后面的服务器，如何操作
NAT 穿越问题
- 客户端需要连接地址为 10.0.0.1的服务器
  - 服务器地址10.0.0.1 LAN本地地址 (客户端不能够使用其作为目标地址)
  - 整网只有一个外部可见地址: 138.76.29.7
1. 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
2. 方案2: Universal Plug and Play (UPnP) Internet Gateway Device (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）
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

3.6 IPv6

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
- IPv6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
IPv6 头部（Cont)
- ==Priority:==标示流中数据报的优先级
- Flow Label:
  
  标示数据报在一个“flow.” ( “flow”的概念没有被严格的定义)
- Next header:
  
  标示上层协议
和IPv4的其它变化
- Checksum
  
  : 被移除掉，降低在每一段中的处理速度
- Options:
  
  允许，但是在头部之外, 被 “Next Header” 字段标示
- 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
从IPv4到IPv6的平移
- 不是所有的路由器都能够同时升级的
  - 没有一个标记日 “flag days”
  - 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
隧道：在最开始IPv4主流的时候，使用IPv6的子网就像是一个一个的孤岛，相互之间的信息交流就像是IPv4的的小船载着IPv6的信息，慢慢的IPv6覆盖的范围越来越大，IPv4逐步呗替代

4、通用转发和SDN

4.1 网络层

网络层功能为例的数据平面和控制平面

网络层功能：
- 转发
  
  ：对于从某个端口到来的分组转发到合适的输出端口
- ==路由：==决定分组从源端到目标端的路径
  - 路由算法
类比：旅游
- ==转发：==一个多岔路口的进入和转出过程
- ==路由：==规划从源到目标的旅游路径
网络层: 数据平面和控制平面

数据平面
- 本地的、每个路由器的功能
- 决定某个从某个端口进入的分组从从哪个端口输出
- 转发功能
控制平面
- 网络范围的逻辑
- 决定分组端到端穿行于各个路由器的路径
每个路由器（Per Rounte)的控制平面

每个路由器上都有实现路由算法元件（它们之间需要相互交互）- 形成传统IP实现方式的控制平面
数量众多、功能各异的中间盒
- 路由器的网络层功能：
  - IP转发：对于到来的分组按照路由表决定如何转发，数据平面
  - 路由：决定路径，计算路由表；处在控制平面
- 还有其他种类繁多网络设备（中间盒）：
  - 交换机；防火墙；NAT；IDS；负载均衡设备
  - 未来：不断增加的需求和相应的网络设备
  - 需要不同的设备去实现不同的网络功能
    - 每台设备集成了控制平面和数据平面的功能
    - 控制平面分布式地实现了各种控制平面功能
    - 升级和部署网络设备非常困难
网络设备控制平面的实现方式特点
- 互联网网络设备：传统方式都是通过分布式，每台设备的方法来实现数据平面和控制平面功能
  - 垂直集成
    
    ：每台路由器或其他网络设备，包括：
    - 硬件、在私有的操作系统
    - 互联网标准协议（IP,RIP,IS-IS,OSPF,BGP)的私有实现
    - 从上到下都有一个厂商提供*代价大，被设备上“绑架”）
  - 每个设备都实现了数据平面和控制平面的事情
    - 控制平面的功能是分布式实现的
  - 设备基本上只能（分布式升级困难）按照固定方式工作，控制逻辑固化。不同的网络功能需要不同的
    
    “middleboxes”：防火墙、负载均衡设备、NAT boxes,。。。
- （数据+控制平面）集成>（控制逻辑）分布->固化
  - 代价大；升级困难；管理困难等
传统方式实现网络功能的问题
- 问题：
  - 垂直集成>昂贵、不便于创新的生态
  - 分布式、固化设备功能==网络设备种类繁多
    - 无法改变路由等工作逻辑，无法实现流量工程等高级特性
    - 配置错误影响全网运行；升级和维护会涉及到全网设备：管理困难
    - 要增加新的网络功能，需要设计、实现以及部署新的特定设备，设备种类繁多
- ~2005: 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

4.2 SDN

SDN:逻辑上集中的控制平面

一个不同的（通常是远程）控制器和CA交互，控制器决定分组转发的逻辑（可编程），CA所在设备执行逻辑。
SDN的主要思路
- 网络设备数据平面和控制平面分离
- 数据平面-分组交换机
  - 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
SDN控制平面和数据平面分离的优势
- 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
  - 分组交换机、控制器和各种控制逻辑网络应用app可由不同厂商生产，专业化，引入竞争形成良好生态
- 集中
  
  式实现控制逻辑，网络
  
  管理容易：
  - 集中式控制器了解网络状况，编程简单，传统方式困难
  - 避免路由器的误配置
- 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
  - 在此框架下实现各种新型（未来）的网络设备
流量工程：传统路由比较困难

Q:网管如果需要u到z的流量走uvwz,x到z的流量走xwyz，怎么办？

A:需要定义链路的代价，流量路由算法以此运算（ IP路由面向目标，无法操作） (或者需要新的路由算法)
SDN特点
SDN架构：数据平面交换机
SDN架构：SDN控制器
SDN架构：控制应用
通用转发和SDN

每个路由表包含一个

流表

（被逻辑上集中的控制器计算和分发）

4.3 OpenFlow

OpenFlow数据平面抽象
- 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
  - 路由器中的流表定义了路由器的匹配+行动规则（流表由控制器计算并下发）
OpenFlow:流表的表项结构
例子：
OpenFlow抽象
- match+action
  
  : 统一化各种网络设备提供的功能
- 路由器：
  - match
    
    :最长前缀匹配
  - action
    
    : 通过一条链路转发
- 交换机
  - match
    
    : 目标MAC地址
  - action
    
    : 转发或者泛
- 防火墙
  - match
    
    : IP地址和 TCP/UDP端口号
  - action
    
    : 允许或者禁止
- NAT
  - match
    
    : IP地址和端口号
  - action
    
    : 重写地址
- 目前几乎所有的网络设备都可以在这个匹配+行动模式框架进行描述，具体化为各种网络设备包括未来的网络设备
OpenFlow例子：

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_53051813/article/details/123496728

文章目录

第四章 网络层：数据平面

1、导论

1.1 网络层：数据平面

1.2 网络层：数据平面、控制平面

1.3 网络层：控制平面

2、路由器组成

2.1 路由器结构概述

2.2 输入端口功能

2.3 最长前缀匹配

2.4 输入端口缓存

2.5 交换结构

2.6 输出端口

2.7 调度机制

3、IP:Internet Protocol

3.1 数据报格式

3.2 分片和重组

3.3 IPV4地址

3.4 DHCP:Dynamic Host Configuration Protocol

3.5 NAT:Network Address Translation

3.6 IPv6

4、通用转发和SDN

4.1 网络层

4.2 SDN

4.3 OpenFlow

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第四章网络层：数据平面