计算机网络-网络层笔记

计算机网络-网络层笔记

LastEditTime: - 2020.12.31

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不卖茶的吴龙茗茶

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• 网络层只提供best effort 的服务，不能保证带宽，时延等等
• 一些network layer包含的协议

  • routing protocols

    • path selection
    • RIP, OSPF, BGP

  • IP protocol

  • ICMP protocol

两个network layer的主要作用：

1、forwarding(data plane)

move packets from router’s input to router’s output (在router的每内部，决定datagram从哪个output port出)

下面展示的是router input port的基本架构：

• 这里的switch fabric是交换结构的意思，可以看做是路由器中的网络

红色框框住的部分，路由器有了header field通过转发表(forwarding table)查找输出端口,这部分有两种可能的方法：1：destination-based forwarding, 2: generalized forwarding

destination-based forwarding的基本思想

假设我们有如下的forwarding table：

我们目的地中的前缀的前n位和表中的前缀进行匹配，从而选择链路端口。但是我们会发现可能目的地与多个前缀相匹配，这时候就需要用到最长前缀匹配规则（longest prefix matching rule），即在该表中寻找最长的匹配项，并向与最长前缀匹配相关联的链路接口转发分组

Swtiching fabric

大致分为三种：

1.memory
一个分组到达一个输入端口时，该端口会先通过中断方式向路由选择处理器发出信号。于是，该分组从输入端口处被复制到处理器内存中。路由选择处理器则从其首部中提取目的地址，在转发表中找出适当的输出端口，并将该分组复制到输出端口的缓存中。(不能同时转发两个分组)

2.bus
让输入端口为分组预先计划一个交换机内部标签（首部），指示本地输出端口，使分组在总线上传送和传输到输出端口。该分组能由所有输出端口收到，但只有与该标签匹配的端口才能保存该分组

3.crossbar
与前面两种交换方法不同，纵横式网络能够并行转发多个分组。纵横式交换机是非阻塞的（nonblocking）,即只要没有其他分组当前被转发到该输出端口，转发到输出端口的分
组将不会被到达输出端口的分组阻塞。

router output port 的结构和input port 的结构类似

对于包的scheduling我们有以下的几种方式

1.FIFO(先进先出)

如果队列排满了怎么办呢？

• tail drop
• priority
• random

2.priority scheduling

一这幅图中的红绿packets为例：

红色的包的优先级比绿色的高，① ② ③首先进入服务区（在③进入的时候①还没有被传出完毕），在①离开时服务区中还剩②和③，③的优先级高，所以三先离开，在③完成了离开之后服务区中只剩下②，所以②开始离开，再②离开到一半的时候④进来了，但是由于②已经处于正在离开的状态，所以即使④的优先级比②高，还是需要等待②离开之后才能继续离开。

3.Round Robin(RR) scheduling

红绿轮着来，除非两个中哪个没了

4.Weighted Fair forwarding

按比例侧重的控制包的离开：

2、routing(control plane)

determine route taken by packets from source todestination（在不同的router之间）

我们使用routing protocol的目标是选出来一条好的路径，那么什么样的路径算是好的呢，对于好可以有不同的定义，常见的为least “cost”, “fastest”, "least congested"

traditional routing algorithm

• per-router control

SDN

• logically centralized control

下面介绍的是两种常见的routing的算法

①：link state algorithm(知道global information)

Dijkstra’s algorithm:

首先是一些基本的定义

• c(x,y): link cost from node x to y; = ∞ if not direct neighbors
• D(v): current value of cost of path from source to dest. v
• p(v): predecessor node along path from source to v
• N’: set of nodes whose least cost path definitively known

待补

②：distance ve*ctor algorithm（知道decentralized information）

待补

intra-AS routing in the internet: OSPF

在实际中我们会把众多的router，按组分到不同的 autonomous system(AS)(a.k.a. “domains”)中去，在一个AS中有两类的router，这两种router的区别在于和其它的AS有没有连接。

• gateway router
• interrior router

在同一个的AS之间我们会使用intra-AS routing在不同AS里面我们会使用inter-AS routing.

• Intra-AS routing (Interior gateway protocol, IGP)
  • RIP: Routing Information Protocol(基于distance vector)，over udp
  • OSPF: Open Sortest Path First(基于link state),是over ip的
  • IS-IS: 很像OSPF
  • IGRP
• Inter-AS routing (boarder gateway protocol, BGP),over TCP

同一个AS里面的router会使用相同的intra-domain protocol而不同一个AS里面可以使用不同的intra-domain protocol。在一个AS内部 gateway router的功能包括了两种routing。

OSPF的优点：

• security
• multiple same-cost paths
• intergrated uni- and multi-cast support
• hierarchical OSPF in large domains

在一个hierarchical的OSPF示例：

BGP

BGP分为eBGP和iBGP，eBGP是在不同的AS之间运行的，iBGP是在相同的BGP之间运行的。从一个给定的路由器到一个目的子网可能有多条路径，这时候就需要选择最好的路由。首先我们需要知道一些有关于BGP的术语。

Prefix (destination) + attributes = “route”，在属性中比较重要的就是AS-PATH和NEXT HOP。AS -PATH是已经走过的AS的集合（不包括开始的AS）而NEXT HOP是AS・PATH起始的路由器接口的IP地址。

hot potato routing:

对于起始路由器而言，它并不关心inter-domain cost，他只关心怎么规划路径才能使得intra-domain cost最小。

协议对比：

图片来源：https://blog.csdn.net/Jungle_hello/article/details/51438886?utm_source=copy

ICMP：internet control message protocol

主机和路由器用ICMP协议来交换网络层的信息：

• error reporting
• echo request

ICMP通常被认为是IP的一部分，但从体系结构上讲它位于IP之上，因为ICMP报文是承载在IP分组中的。

traceroute（书中解释）:

Traceroute是用ICMP报文来实现的。为了判断源和目的地之间所有路由器的名字和地址，源主机中的Traceroute向目的地主机发送一系列普通的IP数据报。这些数据报的每个携带了一个具有不可达UDP端口号的UDP报文段。第一个数据报的TTL为1,第二个的TTL为2,第三个的TTL为3,依次类推。该源主机也为每个数据报启动定时器。当第□个数据报到达第〃台路由器时，第孔台路由器观察到这个数据报的TTL正好过期。根据IP协议规则，路由器丢弃该数据报并发送一个ICMP告警报文给源主机（类型11编码0）。该告警报文包含了路由器的名字和它的IP地址。当该ICMP报文返回源主机时，源主机从定时器得到往返时延，从ICMP报文中得到第n台路由器的名字与IP地址。

SNMP：simple network management protocol

在了解SNMP**(一个应用层协议)**之前我们首先需要知道网络管理的基本框架，网络管理的基本组件如下所示

• managing server（管理服务器）
• managed device（被管设备）
• management information base（MIB）（管理信息库，这些信息的值可供管理服务器所用）
• network management agent（网络管理代理）
• network management protocol

IP: Internet Protocol

上面是一个ip协议的基本格式，有利于我们对ip协议有一些初步的认识。

IP fragmentation

MTU: max.transfer size

在实际的网络连接中，不同链路层协议会有不同的MTU，有时一个包的长度太长，所以需要对包进行fragmentation（分片）的操作。为坚持网络内核保持简单的原则，IPv4的设计者决定将数据报的重新组装工作放到端系统中，而不是放到网络路由器中。

下面是一个分片的例子：

假设MTU为1500 bytes,现在要将一个4000bytes长度的包进行分片

分片的结果如下:

首先我们要关注的是分片后包的长度，1500+1500+1040=4040，通过对比我们可以发现，分片后包的总长度比分片之前的包的长度要多出了40。这是由于之前ip只有一个head field，现在分为了三个包之后有了三个ip field，这样使得多出了两个head field，而一个ip的head field的长度为20 bytes，所以长度增加了20。然后我们要关注的是offset，对于分片后的第二个包，offset的值为1480/8，这是根据第一个包的data的长度除以8得来的。

IP address

IP address总共有32-bit. 例：192.168.10.1 这个ip地址中以点为划分，将32位分成了4个八位

interface: connection between host/router and physical link

IP address assocciated with each interface

subnet！！！

对于一个ip地址，分为subnet part和host part，高位为subnet part低位为host part，subnet part 相同的interface属于同一个子网，属于同一个子网的interface能够不经过路由器相互通信。那么如何界定哪些位属于子网呢？例：192.168.10.1 /24, 在这个例子中，/24表示的是最左边的24比特定义了子网地址。/24有时也被称作子网掩码，和另一种表达形式：255.255.255.0是等效的。

两种子网掩码形式的转换（例）：

255.255.255.0 → 11111111.11111111.11111111.00000000 对应/24

255.255.0.0 → 11111111.11111111.0.0 对应/16

255.255.128.0 → 11111111.11111111.10000000.00000000 对应/17

255.255.254.0 → 11111111.11111111.11111110.00000000 对应/23

子网聚合（aggregation）

例:

1. 172.16.129.0/24
2. 172.16.130.0/24
3. 172.16.132.0/24
4. 172.16.133.0/24

为了做子网聚合，我们首先将上述的ip地址后面不同的比特写成二进制比特的形式

1. 172.16.10000001.0
2. 172.16.10000010.0
3. 172.16.10000100.0
4. 172.16.10000101.0

通过对比我们能够发现高亮标出来的地方的值是相同的，所以我们设定的新的子网id就是前面的21位。新的子网的ip表示为172.16.128.0/21

CIDR: Classless InterDomain Routing(无类别域间路由选择)

因特网的地址分配策略被称为无类别域间路由选择(Classless Inlerdomain Routing,CIDR)，一个组织通常被分配一块连续的地址，即具有相同前缀的一段地址。

形式为a.b.c.d/x的地址的x最高比特构成了 IP地址的网络部分,并且经常被称为该地址的前缀(prefix)。

DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol (动态主机配置协议)

又被称为plug-and-play protocol，是基于UDP的协议

goal:能够使得主机能够动态获取ip地址

• reuse of address

host获取DHCP 的简单步骤：

• host broadcast DHCP discover
• DHCP server respond with DHCP offer
• host request IP address DHCP request
• DHCP server send address DHCP ack

DHCP ack中包含的信息可以不止ip address，还可以包括

NAT: network address translation

整个local network的信息都通过138.76.29.7这一个ip地址出去。

接下来的这幅图，完美的解释了一个使用了NAT的实例

IPV6

datagram format:

• fixed-length 40 byte header

• no fragmentation allowed

• no checksum

transition from IPV4 to IPV6：

即在IPV6的外面套上IPV4的header和source, dest addr

Tunneling：

假如在一些路线中，不仅仅有IPV6的路由器，还有IPV4的路由器，我们需要用上面所讲述的转换的方法，做一个tunnelling的操作

这里面比较需要注意的是src和dest在tunneling时候的变换，可以看到，在做tunneling的时候，src变成了连接第一个IPV4路由器的IPV6路由器的ip地址，而dest变成了连接最后一个IPV4路由器的IPV6路由器的地址。

Generalized Forwarding and SDN

通用的“匹配加动作”范式，其中能够对协议栈的多个首部字段进行“匹配”，这些首部字段是与不同层次的不同协议相关联的

flow: defined by header fields

generalized forwarding: simple packet-handling rules

• pattern: match values in packet header fields
• actions: drop, forward, modify, matched packet or send matched packet to controller
• priority
• counters

下面是几个flow table的示例:

• 转载请注明出处:

https://blog.csdn.net/weixin_44077955/article/details/112004182

• 文章难免有疏漏错误之处，欢迎私信博主及时更正，大家共同进步。

Reference:

①：计算机网络-自顶向下方法

②：http://gaia.cs.umass.edu/kurose_ross/ppt.htm

③：https://blog.csdn.net/Jungle_hello/article/details/51438886?utm_source=copy