计算机网络(自顶向下方法)-网络层

4. 1 导论

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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
旅行的类比：
 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

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数据平面

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控制平面

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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)

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4.2 路由器组成

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4.3 IP: Internet Protocol

互联网的网络层
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数据报格式

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分片

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IPv4地址

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子网

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IP 地址分类

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子网掩码(subnet mask)

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如何获得一个IP地址

Q: 主机如何获得一个IP地址?
 系统管理员将地址配置在一个文件中
Wintel: control-panel->network->configuration->tcp/ip->properties
UNIX: /etc/rc.config
 DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: 从服务器中动态获得一个IP地址
“plug-and-play”

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

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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)
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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

NAT：网络地址转换

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 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）

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 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

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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
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4.4 通用转发和SDN

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: 旅行
 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行路径
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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
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匹配

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

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