计算机网络自顶向下方法 —— 网络层：数据平面

网络层能够被分解为两个相互作用的部分，即数据平面和控制平面。

网络层数据平面负责实现 “每台路由器” 的转发功能，即数据包如何通过单个网络设备。

1 网络层概述

1.1 网络层的两大核心功能

• 转发（数据平面）： 将单个数据包从路由器的输入链路移动到适当的输出链路。

  • 动作：查表、交换

  • 时间尺度：纳秒级

  • 实现：通常是硬件（ASIC）

• 路由（控制平面）： 确定数据包从源到目的端所经过的端到端路径。

  • 动作：计算、决策

  • 时间尺度：秒级

  • 实现：通常是软件（路由协议）

1.2 数据平面与控制平面的合作方式

• 传统方式： 路由器和控制平面功能在同一设备中紧密耦合。路由选择算法决定转发表中的值。

  

• SDN（软件定义网络）方式： 控制平面功能从网络设备中分离出来，由一个远程的控制器（如SDN控制器）负责。数据平面仍然在路由器中。

  

1.3 网络服务模型

因特网的网络层提供了单一的服务，称为尽力而为服务（best-effort service）。使用尽力而为服务，传送的分组既不能保证以它们发送的顺序被接收，也不能保证它们最终交付；既不能保证端到端时延，也不能保证有最小的带宽。

2 路由器工作原理

2.1 路由器四个核心组件

• 输入端口

  

  • 功能：线路端接、数据链路处理（协议，拆封）、查找，转发，排队。
  • 关键：转发表，根据数据包目的地址查找输出端口。

• 交换结构

  

  • 连接输入和输出端口，有三种类型：经内存交换、经总线交换、经互联网络交换

• 输出端口

  

  • 功能：从交换结构接收数据包，数据链路处理（协议，拆封）、线路端接。
  • 包含队列管理。

• 路由选择处理器

  • 执行控制平面功能（路由协议、维护路由表、计算转发表）。
  • 在SDN中，它与远程控制器通信。

2.2 分组排队与丢包

在输入端口和输出端口处都可以形成分组队列，当队列满时，新到达的数据包将被丢弃（丢包）。

• 输入排队：如果交换结构速度慢于输入端口总和，会在输入端口产生排队。

  • 线路前部阻塞（Head-Of-the-Line，HOL）：一个队列头部的数据包阻塞了队列中后续数据包的转发。

    

• 输出排队：当交换结构速度大于单个输出端口速度时，会在输出端口产生排队。

  

2.3 分组调度策略

分组调度策略决定输出端口排队的分组如何经输出链路传输。

• FIFO（先进先出）

  

• 优先级排队

  

• 加权公平排队（Weighted Fair Queueing，WFQ）

  

3 网际协议（IP）

3.1 IPv4数据报格式

• 版本、首部长度、服务类型

• 数据报长度：IP数据报的总长度（首部加上数据）

• 标识、标志、片偏移：与IP分片有关

• 寿命：（Time-To-Live, TTL）防止数据包无限循环。每当一台路由器处理数据报时，该字段的值减1，若TTL字段减为0,则该数据报必须丢弃。

• 协议：指示应将数据部分交给哪个运输层协议（如TCP=6，UDP=17）。

• 首部检验和

• 源和目的IP地址

• 选项（如果有）

• 数据（有效载荷）

3.2 IPv4编址

• IP地址：32位标识符，与接口相关联。主机与物理链路之间的边界叫作接口（interface）。

  

• 子网（Subnet）：可以从物理上不经路由器而直接彼此联系的一组接口。

  • 子网掩码（Subnet Mask）： 用来区分IP地址中的网络（子网）部分和主机部分。

  • CIDR（无类别域间路由）： a.b.c.d/x，其中x是地址中网络部分的位数，。

  

  

  • IP广播地址255.255.255.255，当一台主机发出一个目的地址为IP广播地址的数据报时，该报文会交付给同一个网络中的所有主机。

• 获取IP地址：动态主机配置协议（DHCP）

  • 功能：动态分配IP地址、子网掩码、第一跳路由器地址（默认网关）、DNS服务器。

  

  • 工作过程（四步）：DHCP服务器发现、DHCP服务器提供、DHCP请求、DHCP ACK。

  

  • DHCP缺陷：当一个移动节点在子网之间移动时，不能维持与远程应用之间的TCP连接。移动IP是一种对IP基础设施的扩展,允许移动节点在网络之间移动时使用其单一永久的地址。

3.3 网络地址转换（NAT）

• 动机：解决IPv4地址短缺问题，提高隐私和安全性。

• 工作原理：

  • 所有离开本地网络的数据包，将其（源IP，端口）替换为（NAT IP，新端口）。

  • 在NAT转换表中记录该映射。

  • 将进入的数据包根据转换表进行反向转换。

  

3.4 IPv6

• 动机：IPv4地址耗尽、简化首部以加快处理。

• IPv6数据报格式

  • 重要变化

    • 扩大的地址容量IP地址长度从32比特增加到128比特

    • 固定40字节首部，字段更少

    • 去除分片、首部检验和等字段，增加流标签字段

  

  • 版本、流量类型、流标签

  • 有效载荷长度、下一个首部、跳限制

  • 源地址和目的地址

  • 数据

• 从IPv4向IPv6迁移

  建隧道，在IPv4路由器之间传输IPv6数据报。

  

4 通用转发和SDN