【计算机网络】网络层

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计算机网络：自顶向下方法（第五版&第七版）学习笔记，第四章网络层，本章以第五版为主。

概述

  • forwarding转发：move packets from router’s input（输入链路口） to appropriate router output
  • routing路由选择：determine route taken by packets from source to destination，是网络范围的过程
  • 转发表（forwarding table）：索引查询链路，路由选择算法（routing algorithm）决定转发表里的值
  • 分组交换机（packet switch）：分组交换设备，输入链路进输出链路出
    • 链路层交换机（link-layer switches）：基于链路层字段的某些值转发
    • 路由器（router）：基于网络层字段的某些值转发
  • 连接建立（connection setup）：网络层数据流动前的状态建立
  • 网络层提供的服务
    • 对于数据报来说：确保交付（guaranteed delivery）、具有时延上界的确保交付
    • 对于数据流来说：有序分组交付（in-order datagram delivery）、确保最小带宽（guaranteed minimum bandwidth to flow）、确保最大时延抖动、安全性服务
  • 因特网：尽力而为（best-effort）
  • 三个主要组件：IP协议、路由选择协议（RIP, OSPF, BGP）、控制报文协议（ICMP）

虚电路和数据报网络

  • 虚电路网络（Virtual Circuit，VC）：在网络层提供连接服务
  • 数据报网络（Datagram Network）：在网络层提供无连接服务
  • 主流计算机网络体系结构连接和无连接二选一，不同时提供，因特网提供无连接服务

虚电路网络

  • 主机间的一条路径，每段链路一个VC号（每个路径上的同一链路VC号可以不同，以减少分组首部VC号长度，和简化虚电路建立），分组携带走的VC号，路由器转发表指示
  • 创建/终止虚电路，转发表增加/删除相应项
  • 为建立连接，路由器维护连接状态信息（connection state information）
  • 虚电路建立（VC setup）：从运输层获得地址，决定路径及路上的VC号，沿路上为路由器添加转发表项，这些报文叫信令报文（signaling message），交换报文的协议叫信令协议（signaling protocol）
  • 数据传送（data transfer）：数据流动
  • 虚电路拆除（VC teardown）：通知结束，删除路上路由器转发表项

数据报网络

  • 路由器用分组的目的地址转发分组，有将目的地址映射到链路接口的转发表（比如前缀匹配）
  • 转发表由路由选择算法修改，几分钟更新一次

路由器

  • 路由器功能：运行路由选择算法和路由选择协议、转发数据报

输入端口（input port）

  • 查找输出端口，利用输入端口的存储器中的转发表，利用硬件达到线性查找
  • 若forwarding速率小于数据包到达速率会排队：Head-Of-the-Line (HOL) blocking（线头阻塞），多个不同入口的包要进一个输出端口，后走的包如果输出链路不排队得被迫排队（queued datagram at front of queue prevents others in queue from moving forward）
  • 依次是线路端接（物理层）、数据链路处理（链路层，协议、拆封）、查找转发排队（网络层）

交换结构（Switching fabrics）

  • 从输入缓存转移到合适的输出缓存
  • 交换速率（switching rate）：包转移的速率
  • 三种类型：

输出结构（output port）

  • 缓存，交换速度大于传输速度
  • 分组调度（packet scheduler）程序

网际协议（IP，Internet Protocol）

数据报

IPv4：

  • 首部长度：标记数据开始的位置，一般20bytes
  • 服务类型（TOS）：告诉子网需要的服务类型
  • 数据报长度：首部+数据，理论最大65535字节
  • 标识（identifier）、标志（flags）、位偏移（fragmentation offset）：让目的主机判断新来的分段属于哪个分组
    • MTU(Maximum Transmission Unit，最大传输单元)：The maximum amount of data that a link layer packet can carry
    • 分片：不同链路协议的链路层帧大小不同，将数据分片，在端系统组装
    • 属于同一分组的分段包含同样的标识
    • DF位表示不分段：命令路由器不要将数据分段，因为目的主机不能重组分段；MF位表示是否所有的分组都已到达；flag=0为最后一片，=1为其他片
    • 位偏移说明分段在当前数据报的位置，offset=(MTU−20)/8offset=(MTU-20)/8
  • 寿命TTL：用来限制分组的生命周期的计数器，每经过一个结点都有递减，当减到0，分组就丢弃，为了避免在整个网络中分组一直传递的问题
  • 上层协议：到达目的地后这个字段指示上层协议的类型

IPv4编址（addressing）

  • 接口（interface）：主机/路由器和物理链路的边界，路由器通常有多个接口，主机一般只有一个
  • IP地址：32位（8+8+8+8），接口地址

特殊IP地址

  • broadcast address(广播地址)：主机号全为1，向其它网络广播，必须有一个有效的网络号
  • limited broadcast address (有限广播)：255.255.255.255，向本网络的所有主机广播，不需要网络号
  • “0” address(“0”地址)：0.0.0.0，本网络本主机
  • loopback address (回送地址)：netid=127，将信息回送本机

子网

  • 子网（subnet）：device interfaces with same subnet part of IP address, can physically reach each other without intervening router

  • 子网编址（subnetting）：将hostid分为subnetid|hostid

  • 子网掩码（subnet mask）：如193.1.1.0/24，意味最左侧24位指示了子网地址

  • 地址分配：CIDR无类别域间路由选择（Classless InterDomain Routing）：a.b.c.d/xa.b.c.d/x

获得IP地址的方法

  • 系统管理员硬编码在设置文件中，这个IP是手动配置的
  • 动态主机配置协议DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）：主机与网络连接时从服务器动态获取IP地址
    • 网络管理员可配置选择每次给主机相同IP还是临时IP（temporary IP address）
    • 主机也可以获得子网掩码、默认网关（第一跳路由器）、本地DNS服务器的IP和名称等信息，又被称即插即用协议（plug-and-play）
    • 分为DHCP discover、DHCP offer、DHCP request、DHCP ack四步
      • DHCP discover：向255.255.255.255广播，本机地址0.0.0.0，UDP 67或68端口
      • DHCP offer：发送报文响应，提供推荐IP地址、网络掩码、IP租用期（address lease time）
      • DHCP request：主机选择一个DHCP服务器响应
      • DHCP ack：证实参数
    • 客户DHCP每次启动都会自动广播请求原来的IP地址和配置，若没有应答但是并未过租用期就继续用
    • 租用期过半时request+ack续租，失败则租期到达87.5%的时候再次利用广播方式发送一个DHCP请求信息续租，如果失败就重新获取（4个过程）
  • 用户IP从ISP那来，ISP的由ICANN（Internet Corporation for Assigned Names and Numbers）管理（还管理DNS和域名），ISP也是子网，因此同前缀的网络信息可以发往一个方向

网络地址转换（Network Address Translation，NAT）

  • 如果ISP连续空间不够、外界网络不需要关心本地网络内的IP分配因此更方便分配和修改、ISP若需要更换IP不需改子网内的IP、IP暴露在外不安全
  • NAT将要发走的数据报中的源IP和端口修改为NAT的IP和端口，收到的数据报反过来修改
  • NAT translation table包含了修改信息

因特网控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol）

  • 主机和路由器交流网络层信息，如差错报告（error reporting）、回显请求和回复（ping程序）
  • Traceroute程序：通过发不可达UDP，TTL依次设为1，2，3，…根据路由返回的过期信息知道路由器信息，最后一个到达的

IPv6

  • 原因：32位空间不够用，以及对IPv4进行一些优化
  • 数据报
    • 流量类型又称优先级（priority）：区别数据包的类别和优先级，与IPv4的TOS类似
    • 流标签：区别在同一个流中的数据报
    • 下一个首部（next header）：上一层协议类型
    • 跳限制（hop limit）即TTL
    • 其他去除的：checksum、options（可以在下一个首部里）、分片信息
  • ICMPv6：新版本的ICMP，有更多信息和multicast group management functions
  • IPv4转IPv6：旧路由器可能没法更新到能处理IPv6的，通过建隧道（Tunneling），即通过IPv4群前将IPv6信息打包成IPv4

路由选择算法

  • 找到最小代价路线

分类

  • 全局式&分散式：
    • 全局式（global）路由选择算法：需要知道全局的路径费用，链路状态算法（Link State）LS
    • 分散式（decentralized）路由选择算法：迭代交换信息，距离向量（Distance-Vector）DV
  • 静态&动态：
    • 静态：路由变化缓慢，人工调整转发表
    • 动态：网络流量负载和拓扑变化时/周期性运行

LS算法

Dijkstra

DV

Bellman-Ford，收到相邻节点给的距离向量后更新

Dx(y)←min⁡v{c(x,v)+Dv(y)}D_x(y) \leftarrow \min _v\left\{c(x, v)+D_v(y)\right\}

好消息（路径费用变小）传的快，坏消息传得慢，可能出现无穷计数，错误的消息不断传出去更新，解决方法是毒性逆转，如果A到B的最小费用通过C更新了（C告知的），告诉C，A到B费用为正无穷

层次路由选择（Hierarchical Routing）

  • 自治系统AS（autonomous system）组织路由器（如一个ISP内），通过网关（gateway）路由器向外通信
  • 内部要知道哪些网关路由器能到达外部指定地点
  • 热土豆算法（hot potato routing）将包发给最近的网关路由器

因特网路由选择

内部：Intra-AS

又叫内部网关协议Interior Gateway Protocols (IGP)

RIP: Routing Information Protocol

  • 路由信息协议
  • DV算法，跳数（hops）作为费用测度，每条链路费用为1
  • 最大费用15，RIP只能使用在直径不超15跳的AS中
  • 路由间用RIP响应报文更新信息，又叫RIP通告（advertisement），包含多达25个子网的列表
  • 180s没有收到邻居的通告则把邻居视为不可达
  • 16跳即无穷大
  • RIP报文通过UDP发送，RIP是当作应用层进程实现的
  • 一般设在下层ISP

OSPF: Open Shortest Path First

  • OSPF路由协议

  • LS

  • 在IP中传输

  • 周期性/变化时广播链路状态，广播给整个AS，使用flooding

  • 相比RIP的优点

    • 安全：authenticated
    • 多条相同费用的路径
    • 多播单播路由都支持
    • 链路多个成本指标
    • hierarchical OSPF in large domains
      • 主干区域（backbone）
      • 边界（area border）路由器

外部：Inter-AS

BGP: Border Gateway Protocol

  • 边界网关协议

  • BGP连接包括两种：

    • eBGP: obtain subnet reachability information from neighboring AS，即e是external

    • iBGP: propagate reachability information to all AS-internal routers，即i是internal

  • BGP peers产生TCP连接称BGP session

为什么区分内外部

  • 外部要考虑policy，内部只需关注效果
  • 分层次能够减少路由转发表的大小，减少更新所需流量