网络层——数据平面

• 数据平面：数据平面决定输入数据报如何转发到输出数据报

数据平面的路由器

路由器的结构

• 输入端
• 输出端
• 交换结构
• 路由选择处理器：执行控制平面功能
  • 在传统路由器中，它执行路由选择协议，维护选择表与关联链路的状态信息
  • 在SDN路由器中，它通过与远程控制器通信来接收转发表
  • 它还执行网络管理功能
• 由于速度的要求，输入端输出端和交换结构总是以硬件形式实现
• 协议的选择，以及响应和对远程控制器通信的功能是以软件形式实现

分组转发

输入输出端口处理和基于目的地转发

• 转发的决策在每一个输入端口就进行处理，而不是调用中央处理器，解决了集中处理的瓶颈
• 转发表一般依靠ip地址前缀匹配转发，前缀长度不一定要相同，因而对于多个可选择的前缀来说，一般采用最长前缀匹配规则

分组交换的主要技术

• 通过内存复制到对应输出端口
• 通过总线连接到输出端口，同一时间只有一对“输入--输出”端口可以共享总线
• 经互联网络交换，如下图所示
  
  在同一列（即同一输出端口下），如果有一个分组正在使用此端口，那么就要进行等待；而在同一行（即同一输入端口下），如果一个分组正在使用此端口，那么新来的分组就要等待。

路由中的排队问题

• 输入排队：当某一输入端口处理的速度无法和达该的分组速度相匹配时，就会产生阻塞，叫做线路前部阻塞
• 输出排队：当某一分组经过转发到达某一输出端口，而此时输出端口正在处理其他分组，就会产生阻塞
• 对于输出端口和输入端口的缓存来说，阻塞时间越长，缓存剩余空间越小，当缓存空间过小以至于无法容纳排队的分组的时候，就要丢弃分组。要么弃尾，要么删除正在排队的分组，然后加入新分组

排队问题的相关规则（调度算法）

• 对于分组排队，可以类比操作系统中的进程调度
• 几大调度算法
  • 先进先出或先来先服务（FIFO or FCFS）算法
  • 优先权算法：按优先级设立队列，到来的分组中携带有优先级信息，根据这个信息分组被分配到相应优先级队列
  • 循环公平队列：顾名思义，公平就是指设置n个队列，从1,2,3开始依次选择一个队列进行处理，没有加权值
  • 加权公平队列WFQ：保证相同优先级业务间公平，不同优先级业务间加权。
    • 例如接口中当前有8个流，它们的优先级分别为O，2，2，3，4，5，6，7。则带宽的总配额将是：所有(流的优先级+1)的和。即：1+3+3+4+5+6+7+8=37；每个流所占带宽比例为：(自己的优先级数+1)，(所有(流的优先级+1)的和)。即，每个流可得的带宽分别为：1／37，3／37，3／37，4／37，5／37，5／37，6／37，7／37，8／37

IP协议

IPv4的数据报的结构

• version：规定了IP的版本，通过IP版本确定数据报的格式，IPv4版本的数据报格式如上图所示
• header length：确定IP数据报的报首长度
• type of service：用来区分一些数据报服务类型，例如实时流量应用如网络电话和非实时流量应用如邮箱，这个字段信息可以作为路由器分配策略的参考
• datagram length：数据报的长度，包含报首长度和报文长度
• identifier，flag，offset：存放数据的分组分片信息
• time-to-live：数据报的寿命，因为因特网中的数据报可能会产生回路，所以设置时长，过期了就抛弃
• protocol：指明这个数据报对应的协议，例如UDP或者TCP
• checksum：首部检验和，计算首部是否出了差错，而运输层中的检验和是计算整个报文的检验和
• source IP和destination IP：源IP和目的IP
• options：可选项，允许加入自定义扩展字段。这会使得管理更加复杂，影响性能，在IPv6中被取消
• data：数据段

IPv4的数据分片

• 由于不同的链路之间的协议可能不同，导致数据帧大小不同。MTU即数据帧的最大大小
• IPv4设计者把报文段分片以便于在各种链路中传输。
• 分片的重新组装在端系统中，目的是为了减少路由器的负担
• 分片的时候，数据报会带有三个字段
  • 标识：标识这个数据分片是属于哪一个完整的数据报，相同数据报分片的标识相同
  • 标志：路由器在分片的时候会给最后一个分片的标志比特位设置为0，而给其他分片标志比特位设置为1，这是由于IP协议的不可靠性导致的
  • 片偏移字段：确定片是否丢失，也同时记录了分片的顺序

IPv4编址

• 对于一个路由器，它可以与多个主机相连，即它有多个接口与多主机相连，而每一个主机只有一个接口，因此，在IP协议中，IP地址不是主机的地址，而是指主机与路由器连接的那个接口的地址
• IP地址长32bit
• IP地址用点隔开，每一个间隔是八位二进制数的十进制表示结果
  
• 图中展示了一个例子，观察可以知道，一个子网内的IP地址部分相同，子网地址为223.1.1.0/24,24表示最左边24位比特是子网标志，子网掩码为255.255.255.0，子网掩码的前24位都为1

因特网地址分配策略

• 无类别域间路由选择策略CIDR
• 使用子网寻址时，一个32位bit的IP地址被划为两部分a.b.c.d/x，x指示了第一部分的比特数
• 当一个子网更改到一个已有的ISP中，它不会将子网的掩码更改，而是在其对外广播中加入这个子网。在因特网中采用最长前缀匹配原则，新加入的子网前缀要长于原从属ISP，因此不会导致混乱。
• 255.255.255.255是一个特殊的地址，如果一台主机要向225.225.225.225传送报文，那么它的报文会被发送到同一子网下的所有主机中
• 假设一个ISP被分配了一个地址块，例如200.23.16.0/20，那么假设他能够分8块地址，即三个比特位，则子网的IP掩码为200.23.16.0/23等等
• ICANN是一个组织，负责分配全球ISP的IP地址，同时管理DNS根服务器
• 态主机配置协议DHCP被用来动态分配IP地址，这样可以减少手动配置的麻烦，也被称为即插即用协议
  • 一般情况下每一个子网都有一个DHCP服务器，如果没有服务器，则需要一个中继代理，通常是一个路由器
  • 当子网新加入一个用户时，要经历一下几个步骤
    • DHCP服务器发现新用户。新用户由于没有分配IP地址，要让DHCP得知，需要使用广播地址255.255.255.255来让子网的所有主机周知，通过向DHCP服务器的端口67发送UDP报文，并且以0.0.0.0的地址作为暂时的源地址
    • DHCP收到DHCP发现报文并响应DHCP提供报文。这个DHCP服务器也使用广播地址告知所有节点，报文中包含事务的ID，向客户推荐的IP地址，网络掩码以及IP地址的租用期
    • 由于一个子网中可能有多个DHCP，当用户选择了一个DHCP的报文时，会给这个DHCP服务器发送DHCP请求报文响应。
    • 服务器收到了DHCP请求之后，就会发送DHCP ACK报文响应，当用户收到这个报文之后，动态分配过程就结束了

网络地址的转换

• 从上面我们知道，网络地址ISP分配给一个IP段作为子网的掩码。但是这样做有一个缺陷：假如子网变大了，导致地址范围变大，而ISP已经分配了一块连续的地址空间，那么就会导致重新分配
• NAT全名叫网络地址装换，是一种用来转换网络地址的技术。NAT将路由器对外包装成一个具有单一IP地址的单一设备，路由器连接的子网使用一套自己的IP地址。在路由器上保留有一张NAT表，如下图所示
  
  表项的一端对应局域网的IP和端口号，一端对应广域网的IP地址，当主机发送请求的时候，路由器会替换报文里面的源IP和端口号，当响应报文返回的时候，路由器会根据NAT转换表来转换成局域网对应的IP和端口号
• 路由器是第三层网络层的设备，NAT涉及到端口，关系到运输层，因此在一定程度上违反了分层的原则

Ipv6协议

• Ipv4协议的IP地址只有32位，迟早有用完的那一天，所以人们引入了Ipv6

IPv6的特性

• Ipv6地址容量扩大至128个比特
• 首部简化，只有40字节，是定长首部，这样就可以更快地处理数据报
• 不允许分片组装，如果遇到较大数据报就丢弃，并告知发送方。是为了加快ip转发速度

IPv6的格式

• version
• type of service：同IPv4
• Flow label：用来确定优先权
• payloadlength：有效长度，给定首部后面的数据字节数量
• next hdr：下一个首部，存放Tcp协议或其他协议首部，也可以存放可选字段
• hop limit：计数器，当到达一个路由器计数器加1，超过一定值丢弃

如何从Ipv4转换至Ipv6

• 建隧道：将Ipv4封装成Ipv6

数据平面中的SDN

• SDN：软件定义网络，目的是让软件管理网络，使得修改安装更加快捷
• SDN的本质是网络软件化，提升网络可编程能力，是一次网络架构的重构，而不是一种新特性、新功能

OpenFlow

• OpenFlow是SDN的一个标准。在SDN中，将匹配加动作转发表称作流表，表项包括：
  • 首部字段值集合
  • 计数器集合：包括已经与该表匹配的分组数量，以及自从该表项上次更新以来的时间
  • 分组匹配表项时采取的动作集合

匹配

• OpenFlow的分组匹配字段如下所示
  
• 可以发现OpenFlow中匹配字段涉及到链路层和网络层以及运输层，这违反了分层原则
• 一个流表项可以有通配符，例如可以匹配IP地址128.119..

动作

• 一个流表项有零个和多个动作列表。如果有多个动作，就按序执行
• 重要动作可能有：
  • 转发
  • 丢弃
  • 修改字段