《計算機網路：自頂向下網路》第四章筆記整理（更新中…）
4.1 導論
網路層服務
1.在發送主機和接收主機之間傳送段（segment），
2.在發送端將段封裝到資料報中，在接收端將段上交給傳輸層物體，
3.網路層協議存在于每一個主機和路由器，
4.路由器檢查每一個經過它的IP資料報的頭部，
網路層的關鍵功能
1.轉發：將分組從路由器的輸入介面轉發到合適的輸出介面，
2.路由：使用路由演算法來決定分組從發送主機到目標接收主機的路徑，
資料平面和控制平面
資料平面
1.本地，每個路由器功能
2.決定從路由器輸入埠到達的分組如何轉發到輸出埠
3.轉發功能：傳統方式是基于目標地址和轉發表；SDN方式是基于多個欄位和轉發表
控制平面
1.網路范圍內的邏輯
2.決定資料報如何在路由器之間路由，決定資料報從源到目標主機之間的端到端路徑
3.兩個控制平面方法：傳統的路由演算法在路由器中被實作；SDN在遠程的服務器中實作
傳統方式
1.在每一個路由器中的單獨路由器演算法元件，在控制平面進行互動
2.路由和轉發的相互作用：
控制平面：路由演算法決定端到端路徑
資料平面：IP協議根據轉發表決定了IP資料報在此路由器上的區域轉發
SDN方式：邏輯集中的控制平面
1.一個不同的（通常是遠程的）控制器與本地控制代理（CAs）互動
網路服務模型
從發送方主機到接收方主機傳輸資料報的通道，
對于單個資料報的服務：可靠傳送；延遲保證
對于資料報流的服務：保序資料報傳送；保證流的最小帶寬；分組之間的延遲差
連接建立
在分組傳輸之前，在兩個主機之間，在通過一些路由器所構成的路徑上建立一個網路層連接（涉及到路由器）
4.2 路由器組成
路由器結構概況
高層面通用路由器體系架構
1.路由：運行路由選擇演算法/協議（RIP，OSPF，BGP）——生成路由表
2.轉發：從輸入到輸出鏈路交換資料報——根據路由表進行分組的轉發
輸入埠功能
1.物理層：Bit級的接收
2.資料鏈路層：鏈路層協議動作、解封裝
3.網路層：分布式交換
（1）根據資料報頭部的資訊如：目的地址，在輸入埠記憶體中的轉發表中查找合適的輸出埠
（2）基于目標的轉發：僅僅依賴于IP資料報的目標IP地址（最長前綴匹配）
（3）通用轉發：基于頭部欄位的任意集合進行轉發
輸入埠快取
1.當交換機構的速率小于輸入埠的匯聚速率時，在輸入埠可能要排隊（排隊延遲以及由于輸入快取溢位造成丟失）
2.HOL blocking：排在隊頭的資料報阻止了佇列中其他資料報向前移動
交換結構
1.將分組從輸入快取區傳輸到合適的輸出埠
2.交換速率：分組可以按照該速率從輸入傳輸到輸出
3.三種典型的交換機構
通過記憶體交換
1.在CPU直接控制下的交換，采用傳統的計算機
2.分組被拷貝到系統記憶體，CPU從分組頭部提取出目標地址，查找轉發表，找到對應的輸出埠，拷貝到輸出埠
3.轉發速率被記憶體的帶寬限制（資料報通過BUS兩遍）
4.一次只能轉發一個分組
通過總線交換
1.資料報通過共享總線，從輸入埠轉發到輸出埠
2.總線競爭：交換速度受限于總線帶寬
3.一次處理一個分組
通過互聯網路（crossbar等）的交換
1.同時并發轉發多個分組，克服總線帶寬限制
2.榕樹網路，縱橫網路和其他的互聯網路被開發，將多個處理器連接成多處理器
3.高級設計：將資料報分片為固定長度的信元，通過交換網路交換
輸出埠
1.當資料報從交換機構的到達速度比傳輸速率快，就需要輸出埠快取（資料報可能會被丟棄，由于擁塞，緩沖區沒有空間）
2.由調度規則選擇排隊的資料報進行傳輸（不一定先到先傳）
調度機制
1.調度：選擇下一個要通過鏈路傳輸的分組
2.FIFO scheduling：按照分組到來的次序發送
3.丟棄策略：丟棄剛到達的分組、根據優先權丟失/移除分組，隨機地丟棄/移除
4.調度策略
調度策略：優先權
發送最高優先權的分組
4.3 IP：Internet協議
互聯網的網路層
IP資料報格式
IP分片和重組
1.網路鏈路有MTU（最大傳輸單元）——鏈路層幀所攜帶的最大資料長度（不同的鏈路型別有不同的MTU）
2.大的IP資料報在網路上被分片
（1）一個資料報被分割成若干個小的資料報（有相同的ID，不同的偏移量，最后一個分片標記為0）
（2）重組分片只在最終的目標主機進行
（3）IP頭部的資訊被用于標識，排序相關分片
3.例子
IP編址
引論
1.IP地址：32位標示，對主機或者路由器的介面編址
2.介面：主機/路由器和物理鏈路的連接處
（1）路由器通常擁有多個介面
（2）主機也有可能有多個介面
（3）IP地址和每一個介面關聯
3.一個IP地址和一個介面相關聯
子網（subnets）
1.IP地址：
（1）子網部分（高位bits）
（2）主機部分（低位bits）
2.一個子網內的節點（主機或者路由器）它們的IP地址的高位部分相同，這些節點構成的網路的一部分叫做子網
3.無需路由器介入，子網內各主機可以在物理上相互直接到達
4.判斷子網的方法（將每一個介面從主機或者路由器上分開）
IP地址分類
1.特殊IP地址：
（1）子網部分全為0，本網路
（2）主機部分全為0，本主機
（3）主機部分全為1，廣播地址，這個網路的所有主機
2.內網（專用）IP地址
（1）專用地址：地址空間的一部分供專用地址使用
（2）永遠不會被當做公用地址來分配，不會與公用地址重復（只在區域網路中意義，區分不同的設備）
（3）路由器不對目標地址是專用地址的分組進行轉發
CIDR 無類域間路由
1.子網部分可以在任意的位置
2.地址格式：a.b.c.d/x，其中x是地址中子網號的長度，例如，200.23.16.0/23
子網掩碼
1.32bits，1代表子網部分，0代表主機部分
轉發表和轉發演算法
獲取IP資料報的目標地址，對于轉發表中的每一個表項，如果如 (IP Des addr) & (mask)==destination, 則按照表項對應的介面轉發該資料報；如果都沒有找到，則使用默認表項轉發資料報
獲取IP地址的程序
1.主機獲得IP地址
（1）系統管理員將地址配置在一個檔案中
（2）DHCP：從服務器中動態獲得一個IP地址（即插即用）
A.允許主機在加入網路的時候，動態地從服務器那里獲得IP地址
B.DHCP作業概況：
1）主機廣播“DHCP discover”報文
2）DHCP服務器用“DHCP offer”提供報文回應
3）主機請求IP地址：發送“DHCP request”報文
4）DHCP服務器發送地址：“DHCP ack”報文
2.獲取一個網路的子網部分
（11）從ISP獲得地址塊中分配一個小地址塊
（2）層次編址
NAT：網路地址轉換
1.所有離開本地網路的資料報具有一個相同的源地址NAT IP address，但是具有不同的埠號
2.本地網路只有一個有效IP地址
（1）不需要從ISP分配一塊地址，可用一個IP地址用于所有的（局域網）設備
（2）可以在局域網改變設備的地址情況下而無需通知外界
（3）可以改變ISP（地址變化）而不需改變內部的設備地址
（4）局域網內部的設備沒有明確的地址，對外是不可見的
3.實作
（1）外出資料包：替換源地址和埠號為NAT IP地址和新的埠號，目標IP和埠不變
（2）記住每個轉換替換對（在NAT轉換表中）
（3）進入資料包：替換目標IP地址和埠號，采用存盤在NAT表中的mapping表項
IPv6
1.固定的40位元組頭部，資料報傳輸程序中，不允許分片
2.IPv4到IPv6的平移
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