第4章网络层：数据平面

第4章网络层：数据平面

4.1 导论

4.1.1 章节定位：从网络 “边缘” 到 “核心”

（1）网络分层学习的过渡

• 前序章节（1-3 章）：聚焦网络 “边缘”，覆盖应用层（HTTP、DNS）、传输层（TCP、UDP），核心是端系统间的进程通信（如浏览器与 Web 服务器的交互）；
• 本章（第 4 章）+ 第 5 章：进入网络 “核心”，聚焦网络层，核心是主机到主机的分组交付（如主机 A 经多台路由器到主机 B）；
• 教材版本差异：本版教材将网络层拆分为数据平面（第 4 章） 与控制平面（第 5 章），前版教材未拆分（将两者合并讲解），这是本版的最大区别。

（2）导论的角色

导论作为第 4 章的开篇，核心是 “建立网络层数据平面的基础认知”，为后续 4.2（路由器组成）、4.3（IP 协议）、4.4（SDN）的学习铺垫框架性理解。

4.1.2 导论的核心学习目标

导论需达成的 4 个核心目标，也是本章数据平面的学习基础：

1. 理解网络层数据平面的基本原理，明确 “数据平面” 与 “控制平面” 的定义及区别；
2. 掌握网络层向上层（传输层）提供的核心服务（主机到主机的分组交付）；
3. 区分网络层的两大功能 —— 转发（数据平面）与路由（控制平面），理解两者的配合关系；
4. 初步认识网络层服务模型（如 “尽力而为”），了解不同网络架构的服务差异（如 IP vs ATM）。

4.1.3 核心概念：数据平面与控制平面

数据平面与控制平面是网络层的两大核心组成，课件 4-7 通过 “本地执行” 与 “全局决策” 的逻辑明确两者差异，结合老师的讲解补充如下：

维度	数据平面（Data Plane）	控制平面（Control Plane）
课件对应	课件 4-7 “数据平面” 模块	课件 4-7 “控制平面” 模块
功能定位	本地执行功能：单台网络设备（如路由器）对到来的分组做 “入 - 出” 转发，核心是 “怎么转”	全局决策功能：规划 “源主机到目标主机” 的端到端路径，核心是 “转哪条”
作用范围	仅单台网络设备（如 1 台路由器）	整个网络（跨多台路由器、端系统）
核心依赖 / 输出	依赖 “路由表（传统）/ 流表（SDN）”，输出 “转发动作”（如从端口 2 转发）	输出 “路由表 / 流表”，为数据平面提供转发决策依据
老师举例	路由器插 3 块网卡（以太网、ATM、帧中继）：接收以太网帧→解封装到网络层→查目标 IP→从帧中继端口转发	春游去植物园选路线：规划 “五里墩 / 黄山路 / 南二环” 的全局路径，而非单个路口的转弯
实现方式	传统：IP 协议按目标 IP 查路由表；SDN：按多字段查流表	传统：路由器分布式交互路由信息（如 OSPF）；SDN：远程控制器集中计算路径

4.1.4 网络层两大核心功能：转发（数据平面）与路由（控制平面）

（1）转发（Forwarding）：数据平面的核心动作

• 定义：单台网络设备（如路由器）从 “入端口” 接收分组，通过查 “转发表 / 流表”，选择 “出端口” 将分组转发出去的局部功能，不关心端到端路径；
• 老师补充例子（修正后）：路由器插 3 块网卡（以太网、ATM、帧中继），接收以太网帧后：
  1. 数据链路层解封装，提取 IP 分组；
  2. 网络层提取目标 IP 地址，查本地路由表；
  3. 确定从帧中继网卡转发，将 IP 分组封装为帧中继帧；
  4. 从帧中继端口发送到下一跳；
• 传统转发 vs SDN 转发：
  • 传统转发：仅依赖 IP 分组的目标 IP 地址，查 “转发表”，动作只有 “转发”；
  • SDN 转发：依赖多字段（源 MAC、目标 IP、源端口等），查 “流表”，动作可包括转发、Block、修改字段等。

（2）路由（Routing）：控制平面的核心动作

• 定义：规划 “源主机到目标主机” 的全局路径（如 “主机 A→路由器 1→路由器 3→主机 B”），通过路由算法生成 “路由表 / 流表” 的功能；
• 老师类比：路由相当于 “春游前规划去植物园的整体路线”，转发相当于 “到五里墩路口后选择左转 / 右转的局部动作”；
• 传统路由实现：
  1. 每台路由器运行路由协议（如 RIP、OSPF），与其他路由器分布式交互路由信息（如 “我到主机 A 的距离是 2 跳”）；
  2. 通过路由算法（如最短路径算法）计算最优路径；
  3. 生成 “本地转发表”，下发到数据平面用于转发。

（3） 转发与路由的四种组合

转发与路由各有 “传统方式” 和 “SDN 方式”，共 4 种组合（导论仅分类，不深入细节）：

1. 传统转发 + 传统路由（互联网主流）：IP 协议查路由表转发，路由表由分布式协议生成；
2. 传统转发 + SDN 路由：SDN 控制器生成路由表，设备按传统方式（目标 IP）转发；
3. SDN 转发 + 传统路由：设备按多字段查流表转发，流表由传统路由协议生成；
4. SDN 转发 + SDN 路由（新型核心）：控制器集中生成流表，设备多字段匹配 + 多动作转发。

4.1.5 网络层向上层提供的核心服务：主机到主机的分组交付

网络层的核心服务是 “主机到主机的分组交付”，流程如下：

（1）服务流程

1. 发送端封装：传输层（TCP 段 / UDP 数据报）→ 交给网络层→ IP 协议封装为IP 数据报（添加源 IP、目标 IP、TTL 等头部）；
2. 网络核心转发：每台路由器接收帧→ 解封装到网络层→ 查路由表 / 流表→ 重新封装为下一跳物理网络的帧（如 ATM 帧→以太网帧）；
3. 接收端解封装：目标主机解封装 IP 数据报→ 提取 TCP 段 / UDP 数据报→ 交给传输层，最终交付应用层。

（2）服务的两个关键特性

• 服务范围：主机到主机（Host-to-Host），区别于传输层的 “进程到进程”（如 TCP 的进程通信）；
• 协议实体分布：每台主机、每台路由器中均包含网络层协议实体（如 IP 模块）—— 主机的 IP 模块负责封装 / 解封装，路由器的 IP 模块负责转发；
• 逐跳解封装：IP 数据报在传输过程中，每经过一台路由器都要 “解封装（帧→IP）→转发→重新封装（IP→新帧）”，仅目标主机完成最终解封装（IP→TCP/UDP）。

4.1.6 网络层服务模型：基于指标的标准化服务

（1） 服务模型的定义

服务模型是 “网络层向上层提供服务的标准化描述”—— 当 “可靠性、延迟、保序性、带宽” 等服务指标取特定值时，形成的固定服务类型（如 “尽力而为”“恒定带宽”）。

课件 4-11 明确服务指标分为两类：

• 针对单个数据报：可靠性（是否不丢失 / 不出错）、延迟保障（是否≤40ms）；
• 针对系列数据报（如视频流）：保序性（接收顺序与发送顺序一致）、带宽保障（是否固定 10Mbps）、延迟差（系列分组的延迟差值，延迟差 = 0 适配多媒体）。

（2） 典型服务模型对比

通过表格对比 IP、ATM 的服务模型，结合老师的讲解补充如下：

网络架构	服务模型	带宽保障	丢失保障	保序保障	延迟保障	拥塞反馈
Internet	尽力而为（Best Effort）	无	无	无	无	无（通过丢失推断）
ATM	CBR（恒定比特率）	恒定速率（如 64kbps）	有	有	有	无
ATM	VBR（可变比特率）	保障最小速率	有	有	有	无
ATM	ABR（可用比特率）	保障最小速率	无	有	无	有
ATM	UBR（未指定比特率）	无	无	有	无	无

① IP 的 “尽力而为” 模型（重点）

• 核心特点：所有指标均无保障，是 “委婉的称呼”（老师类比：“老板交办任务说‘尽力而为’，实际不承诺结果”）；
• 实际表现：无带宽 / 丢包 / 保序 / 延迟保障，不向主机反馈拥塞状态，是互联网的基础服务模型。

② ATM 的有保障模型（对比案例）

ATM 是 “有连接” 的网络层技术，明确其 4 类模型均比 IP 的 “尽力而为” 更具保障，如 CBR 适合语音传输（恒定带宽），ABR 适合弹性业务（动态调整带宽）。

4.1.7 关键区分：网络层 “有连接” 与传输层 “面向连接”

强调两者的核心差异在于 “是否涉及中间路由器”，补充如下：

连接类型	网络层 “有连接”（如 ATM）	传输层 “面向连接”（如 TCP）
课件对应	课件 4-12 “网络层连接” 模块	课件 4-12 “传输层连接” 模块
涉及设备	源主机、目标主机 + 中间所有路由器	仅源主机、目标主机（中间路由器无连接状态）
状态维护	所有设备维护 “连接状态”（如 ATM 的虚电路表）	仅端系统维护 “连接状态”（如 TCP 的 TCB）
老师举例	ATM 网络：通信前建立虚电路，路径上所有路由器维护虚电路表	TCP 三次握手：仅主机 A 和主机 B 维护连接状态，路由器仅转发 IP 分组
核心差异	连接覆盖 “端到端 + 中间节点”，是 “主机到主机” 的连接	连接仅覆盖 “端到端”，是 “进程到进程” 的连接

导论核心总结

导论作为第 4 章的开篇，核心是建立 “数据平面” 的基础框架，关键结论如下：

1. 网络层分为数据平面（本地转发）和控制平面（全局路由），本版教材拆分讲解是核心差异；
2. 转发是数据平面的核心，依赖路由表 / 流表；路由是控制平面的核心，生成转发决策依据；
3. 网络层服务是 “主机到主机的分组交付”，IP 的 “尽力而为” 是互联网的基础服务模型；
4. 网络层 “有连接” 与传输层 “面向连接” 的本质区别是 “是否涉及中间路由器”。

4.2 路由器组成

4.2.1路由器结构概况

（1）核心架构与功能分工

• 高层面通用架构：路由器核心分为控制平面与数据平面，二者通过 “路由表” 衔接，配合输入端口、输出端口与高速交换机构（high-speed switching fabric）完成分组转发。
  • 控制平面（软件实现，毫秒级响应）：由路由处理器（processor routing）运行路由选择算法 / 协议（如 RIP、OSPF、BGP），计算并生成路由表，最终将路由表下载到所有输入端口的网络层模块。
  • 数据平面（硬件实现，纳秒级响应）：基于输入端口接收的路由表，将输入端口的分组通过交换机构转发到合适的输出端口，完成 “局部转发”（单个路由器内的分组交换）。
• 补充细节：
  • 实际路由器的 “输入端口” 与 “输出端口” 是整合的（同一物理端口可双向传输），在此中分开讲解是为了简化原理；
  • 多个路由器的 “局部转发” 通过链路串联，最终实现源主机到目标主机的端到端分组交付。

4.2.2输入端口功能

（1）分层功能实现（从物理层到网络层）

输入端口是分组进入路由器的 “第一站”，需完成物理层接收、链路层解封装、网络层转发决策，具体流程如下：

分层	功能描述（课件核心内容）	补充细节
物理层	完成 “比特级接收”（line termination），将链路上的物理信号（电磁波 / 光信号）转换为数字信号（0/1）。	转换粒度可为 “比特” 或 “字（word）”，取决于物理编码方式。
数据链路层	执行链路层协议动作（如以太网解封装），校验帧完整性（如 CRC），判断帧的目标 MAC 地址是否匹配本端口，提取帧中封装的 IP 分组。	若目标 MAC 不匹配，直接丢弃帧；仅提取匹配帧的数据部分（即 IP 分组）交给网络层。
网络层	基于分组头部信息（如目标 IP 地址），在输入端口内存的转发表中执行 “匹配 + 行动”，确定转发到的输出端口。	传统转发仅依赖 “目标 IP 地址”，SDN 通用转发可基于头部多字段（如源 MAC、TCP 端口）；分组需先在队列（queueing）中排队，等待转发决策。

4.2.3基于目标的转发与最长前缀匹配（对应课件图 4-17、4-19、4-20）

（1）基于目标的转发（传统方式）

• 转发表结构（课件图 4-17）：转发表通过 “目标地址范围” 关联 “输出接口”，示例如下：

  

• 问题：若地址范围划分不规整，可能导致匹配歧义（如分组地址同时落在多个范围）。

（2）最长前缀匹配（解决歧义的核心机制）

• 定义：查找转发表时，选择与分组目标地址 “前缀重叠最长” 的表项，确保匹配唯一。转发表示例优化如下：

  

• 硬件支持：采用 TCAMs（三态内容可寻址存储器）实现，可在 1 个时钟周期内完成检索，不受表项数量影响（如 Cisco Catalyst 系列路由器可存储约 1 百万条路由表项）。

• 举例验证：

  • 分组目标地址（DA）1：11001000 00010111 00010110 10100001 → 匹配前缀 “00010****”，转发到接口 0；
  • 分组目标地址（DA）2：11001000 00010111 00011000 10101010 → 匹配前缀 “00011000 ****”，转发到接口 1。

（3）输入端口缓存与头端阻塞

• 缓存必要性：当交换机构的速率＜输入端口的汇聚速率时，输入端口需通过缓存（队列）暂存分组，避免因 “瞬时速率不匹配” 导致分组丢失（如 “双十一” 期间大量分组向 “天猫方向” 转发，输入速率骤增）。
• 头端阻塞（Head-of-the-Line, HOL）：
  • 定义：若队列头部的分组因目标输出端口繁忙无法转发，会阻塞队列中后续所有分组（即使后续分组的目标输出端口空闲）。
  • 示例：课件图中 “绿色分组” 目标端口空闲，但因 “红色分组”（队头）阻塞，无法提前转发；若缓存溢出，后续分组会被丢弃（这是分组丢失的常见原因之一）。

4.2.4交换机构（对应课件图 4-21、4-22、4-23、4-24）

交换机构是连接输入端口与输出端口的 “桥梁”，核心功能是将输入端口缓存的分组传输到目标输出端口，需满足 “交换速率≥N 倍输入 / 输出链路速率”（N 为输入端口数量），避免成为性能瓶颈。课件中定义了 3 种典型交换机构：

（1）基于内存的交换

• 架构：采用传统通用计算机实现，分组需通过系统总线（system bus）在 “输入端口→内存→CPU→内存→输出端口” 之间传输。
• 工作流程：
  1. 输入端口将分组拷贝到系统内存；
  2. CPU 从分组头部提取目标地址，查询路由表确定输出端口；
  3. CPU 将分组从内存拷贝到输出端口。
• 特点与局限：
  • 是 “第一代路由器” 的实现方式（如思科早期产品），依赖软件转发；
  • 瓶颈：分组需过系统总线 2 次，转发速率受内存带宽限制，一次仅能转发 1 个分组。
• 补充：互联网第一台路由器由麻省理工团队用通用计算机软件实现，后续衍生出思科公司；但该方式因速率低，仅适用于早期小规模网络。

（2）基于总线的交换

• 架构：输入端口与输出端口共享一条高速总线（bus），分组通过总线直接从输入端口传输到输出端口（无需经过 CPU / 内存）。
• 工作流程：
  1. 输入端口在分组头部添加 “目标输出端口地址”；
  2. 分组通过总线广播，所有输出端口监听总线；
  3. 仅目标输出端口接收分组，其他端口丢弃分组。
• 特点与应用：
  • 优势：分组仅过总线 1 次，转发速率远高于 “基于内存的交换”；
  • 速率示例：Cisco 1900（1Gbps 总线）、Cisco 5600（32Gbps 总线）；
  • 局限：总线存在竞争，速率受总线带宽限制；适用于接入网、企业网路由器，不适用于骨干网。

（3）基于互联网络（Crossbar / 榕树网）的交换

• 架构：采用 Crossbar（纵横交叉开关）或 Banyan（榕树网）结构，可同时并发转发多个分组（每个交叉节点可独立控制通断）。
• 工作流程：
  1. 分组从输入端口到达后，控制器控制对应交叉节点 “短接”（如端口 A→Y、端口 B→Z 可同时通断）；
  2. 高级设计：将变长分组分割为固定长度的 “信元”，确保通过交换网络的时间一致，简化调度。
• 特点与应用：
  • 优势：无总线竞争，支持并发转发，交换速率极高；
  • 速率示例：Cisco 12000 系列（60Gbps 及以上交换速率）；
  • 适用场景：互联网骨干路由器，可应对大规模高带宽分组转发需求。

4.2.5输出端口（对应课件图 4-25、4-26、4-27）

（1）输出端口功能

输出端口是分组离开路由器的 “最后一站”，需完成 “分组缓存→链路层封装→物理层发送”，具体流程如下：

分层	功能描述（课件核心内容）	老师补充细节
网络层	接收交换机构转发的分组，在数据报缓存（datagram buffer）中排队，由调度规则选择分组发送顺序。	排队原因：多个输入端口同时向同一输出端口转发，导致 “输入速率＞输出速率”（如多用户同时访问天猫，输出端口带宽不足）。
链路层	执行链路层协议（发送端），将 IP 分组封装为帧（添加帧头 / 帧尾、源 MAC 地址、目标 MAC 地址、CRC 校验码）。	封装需符合链路类型（如以太网），下一章会详细讲解链路层协议（如接入控制、CRC 计算）。
物理层	将帧的数字信号转换为物理信号（电磁波 / 光信号），通过链路发送到下一个路由器 / 主机。	转换粒度可为 “比特” 或 “字”，需与链路的物理编码方式匹配。

（2）输出端口排队

• 排队原因：即使交换速率是链路速率的 N 倍（N 为输入端口数），当多个输入端口向同一输出端口并发转发时，分组到达速率仍可能超过输出端口的传输速率，需通过缓存排队。
• 后果：排队会产生 “排队延迟”；若缓存溢出，后续到达的分组会被丢弃（这是分组丢失的另一常见原因，如 “订单发送后天猫未收到” 可能是分组在此处丢失）。

（3）缓存大小计算

• RFC 3439 拇指规则（经验公式）：平均缓存大小 = 典型 RTT（往返时间，如 250ms）× 链路容量 C。

  示例：10Gbps 链路的缓存大小 = 250ms × 10Gbps = 2.5Gbit。

• 优化公式（多流场景）：当网络存在 N（极大）个流时，缓存大小 = (RTT×C)/√N，避免缓存过大导致分组超时（如缓存 80T 会使分组排队到 “订单超时”，用户重复发送）。

4.2.6调度机制

调度机制的核心是 “选择队列中下一个要传输的分组”，需兼顾 “公平性” 与 “服务质量（QoS）”，课件中定义了 4 类典型调度策略：

（1）FIFO（先入先出）调度

• 规则：严格按照分组到达顺序发送（“先来先传”），是最基础的调度方式。
• 丢弃策略：当缓存满时，选择以下方式丢弃分组：
  • Tail Drop（尾丢弃）：丢弃刚到达的分组（“谁后到谁丢”）；
  • Priority（按优先级丢弃）：丢弃优先级低的分组（如保留 VIP 用户分组，丢弃普通用户分组）；
  • Random（随机丢弃）：随机选择一个分组丢弃（“拼人品”，避免单一分组持续被丢弃）。
• 举例：日常 “排队打饭” 本质是 FIFO，但缓存满时若按 “尾丢弃”，晚到的订单分组会丢失。

（2）优先权调度

• 规则：
  1. 将分组按 “优先级” 分为多类（如实时多媒体分组为高优先级，Telnet 分组为低优先级）；
  2. 优先发送高优先级队列的分组（“有高优先级就不传低优先级”），同一优先级队列内按 FIFO 顺序发送。
• 优先级划分依据：可基于分组头部字段（如 IP 地址、TCP 端口号、DS 标志位），具体标记方式属于 “高级计算机网络” 内容（研究生阶段讲解）。
• 举例：网络中 “视频通话分组”（高优先级）优先于 “文字聊天分组”（低优先级），确保视频流畅。

（3） Round Robin（RR，轮转调度）

• 规则：
  1. 将分组分为多类（如红、绿、蓝三类）；
  2. 循环扫描各类队列，每类队列每次发送 1 个分组（“红→绿→蓝→红→绿→蓝”）。
• 特点：保证各类分组 “公平轮转”，避免单一类别长期占用链路。
• 类比：类似针式打印机的 “色带轮转”（打完一个位置后移到下一个，避免色带局部磨损），确保每类分组都有发送机会。

（4）Weighted Fair Queuing（WFQ，加权公平队列）

• 规则：
  1. 为每类分组分配 “权重 W_i”（如红类 20%、绿类 50%、蓝类 30%，总和为 100%）；
  2. 在时间 t 内，第 i 类队列获得的服务时间 = (W_i / ΣW_i) × t，即按权重分配链路带宽。
• 举例：若链路带宽为 1Mbps，红类（20% 权重）获 200kbps、绿类（50%）获 500kbps、蓝类（30%）获 300kbps，既保证公平又支持差异化服务（如绿类对应核心业务，分配更多带宽）。

4.3 IP: Internet Protocol 总结

4.3.1 IP 数据报格式

• 头部结构（32 位为单位）：

  • 包含 IP 协议版本号（如 IPv4 为 4）、头部长度（单位为 4 字节块）、数据报总长度（头部 + 数据，最大 65535 字节）、服务类型（Type of Service，用于 QoS 相关标识）。

  • 分片 / 重组字段：16 位标识（同一数据报分片标识相同）、3 位标志（最低位表是否还有分片，0 为最后一片）、13 位偏移量（分片在原数据报中的位置，以 8 字节为单位）。

  • 其他核心字段：生存时间（TTL，每经过路由器减 1，为 0 则丢弃）、16 位头部校验和（验证头部完整性）、32 位源 IP 地址、32 位目的 IP 地址、上层协议字段（指示数据部分交付给 TCP/UDP 等上层协议）。

  • 可选字段（Options）：如时间戳、指定必经路由器列表，长度可变（0-40 字节）。

• 数据部分：通常为 TCP 或 UDP 段，整体构成 IP 数据报载荷。

4.3.2 IP 分片和重组

（1）核心背景

• MTU（最大传输单元）：链路层帧可携带的最大数据长度，不同链路类型 MTU 不同（如以太网 MTU 通常 1500 字节）。

• 当 IP 数据报长度超过链路 MTU 时，需在路由器进行分片，重组仅在最终目标主机完成（路由器不重组分片）。

（2）分片示例

• 原数据报：4000 字节（20 字节头部 + 3980 字节数据），MTU=1500 字节。

  • 第一片：20 字节头部 + 1480 字节数据，总长度 1500 字节，标识 = x，标志 = 1（有后续分片），偏移量 = 0。

  • 第二片：20 字节头部 + 1480 字节数据，总长度 1500 字节，标识 = x，标志 = 1，偏移量 = 1480/8=185。

  • 第三片：20 字节头部 + 1020 字节数据（3980-1480-1480=1020），总长度 1040 字节，标识 = x，标志 = 0（最后一片），偏移量 = 2960/8=370。

4.3.3 IPv4 地址

（1）IP 编址导论

• IP 地址为 32 位二进制数，用于标识主机或路由器的接口（而非设备）：

  • 路由器通常有多个接口，每个接口对应一个 IP 地址；主机可能有多个接口（如有线 + 无线），每个接口也对应一个 IP 地址。

  • 示例：接口 IP =223.1.1.1（二进制 11011111 00000001 00000001 00000001），通过接口连接物理链路（如以太网、WiFi）。

（2）子网（Subnets）与子网掩码

• 子网定义：IP 地址高位（子网部分）相同的节点（主机 / 路由器）集合，子网内节点无需路由器可直接通信。

• 子网表示：如 [223.1.1.0/24]（CIDR 表示法，“/24” 表前 24 位为子网部分），对应子网掩码 [255.255.255.0]（二进制 11111111 11111111 11111111 00000000）。

• 子网掩码作用：32 位二进制，“1” 对应 IP 地址的子网部分，“0” 对应主机部分；通过 “IP 地址 & 子网掩码” 可提取子网号，用于路由匹配。

（3）IP 地址分类与特殊地址

• 地址分类：

  • A 类：首位 0，范围 1.0.0.0-126.255.255.255，共 126 个网络，每个网络 16777214 个主机（排除子网 / 主机全 0 / 全 1）。

  • B 类：前两位 10，范围 128.0.0.0-191.255.255.255，共 16382 个网络，每个网络 65534 个主机。

  • C 类：前三位 110，范围 192.0.0.0-223.255.255.255，共 2097152 个网络，每个网络 254 个主机。

  • D 类：前四位 1110，用于多播（如 224.0.0.0-239.255.255.255；E 类：前四位 1111，预留未来使用。

• 特殊地址：

  • 子网部分全 0：表示本网络；主机部分全 0：表示本主机。

  • 主机部分全 1：广播地址，用于向子网内所有主机发送数据（如 223.1.1.255）。

  • 127.x.x.x：回路地址（如 127.0.0.1），用于主机自测（发送给该地址的数据包不经过网络，直接回环到本机上层协议）。

（4）内网（专用）IP 地址

• 定义：地址空间中预留的专用地址，不分配为公网地址，仅在局域网内有效，路由器不转发目标为专用地址的数据包。

• 专用地址范围：

• A 类：10.0.0.0-10.255.255.255（子网掩码 255.0.0.0）。

• B 类：172.16.0.0-172.31.255.255（子网掩码 255.255.0.0）。

• C 类：192.168.0.0-192.168.255.255（子网掩码 255.255.255.0）。

（5）CIDR（无类域间路由）

• 背景：解决 A/B/C 类地址浪费问题（如 B 类网络过大、C 类过小），子网部分可在 IP 地址任意位置划分。

• 格式：a.b.c.d/x，x 为子网长度（如 200.23.16.0/23，前 23 位为子网部分，子网掩码 11111111 11111111 11111110 00000000）。

（6）转发表和转发算法

• 转发表结构：包含 “目标子网号、掩码、下一跳 IP、输出接口” 四列。

• 转发流程：

  1. 提取 IP 数据报的目的 IP 地址。
  2. 对转发表中每个表项，计算 “目的 IP & 掩码”，若结果等于 “目标子网号”，则按该表项的 “输出接口” 转发。
  3. 若所有表项均不匹配，按 “默认表项”（通常指向默认网关）转发。

（7）IP 地址获取方式

①手工配置

• Windows：控制面板→网络→TCP/IP 属性，手动输入 IP、子网掩码、默认网关、DNS 服务器。

• UNIX/Linux：编辑 /etc/rc.config 等配置文件，写入 IP 相关参数。

②DHCP（动态主机配置协议）

• 目标：实现 “即插即用”，主机动态从 DHCP 服务器获取 IP 及配套信息，支持租期更新、移动用户接入。

• 工作流程：

  1. DHCP Discover：主机广播请求（源 IP 0.0.0.0，目的 IP 255.255.255.255），寻找 DHCP 服务器。
  2. DHCP Offer：DHCP 服务器广播响应，提供 IP 地址、租期（如 3600 秒）、子网掩码等。
  3. DHCP Request：主机广播请求，确认使用某 DHCP 服务器提供的 IP。
  4. DHCP ACK：DHCP 服务器广播确认，正式分配 IP 及配套信息（默认网关、DNS 服务器地址）。

• DHCP 返回信息：IP 地址、子网掩码、第一跳路由器（默认网关）IP、DNS 服务器 IP。

（8）机构地址块获取与路由聚集

• 地址块获取：

  • 方式 1：从 ISP（互联网服务提供商）分配（如 ISP 从 ICANN 获得大地址块，再拆分给下属机构）。

  • 方式 2：直接向 ICANN（互联网名称与数字地址分配机构）申请，ICANN 负责全球 IP 地址分配、DNS 管理。

• 路由聚集：基于层次编址，将多个连续子网的路由信息合并为一条，减少广域网路由表项数量。例如：200.23.16.0/23、200.23.18.0/23等 8 个子网，可聚集为 200.23.16.0/20（前 20 位相同），降低路由信息传输与计算代价。

4.3.4 NAT（网络地址转换）

（1）动机

• 节省公网 IP：局域网内设备使用专用 IP，共用一个公网 IP 访问互联网。

• 灵活性：内网设备地址变化无需通知外界，更换 ISP 时仅需修改 NAT 路由器的公网 IP，不影响内网。

• 安全性：内网设备对外不可见，减少外部直接攻击风险。

（2）实现原理

• NAT 路由器核心功能：维护 “NAT 转换表”（记录内网 IP + 端口与公网 IP + 端口的映射关系）。

  • 外出数据包：替换源 IP 为 NAT 公网 IP，源端口为新端口（未被占用），目标 IP / 端口不变，更新转换表。

  • 进入数据包：根据目标 IP + 端口查询转换表，替换为内网 IP + 端口，源 IP / 端口不变。

• 端口资源：16 位端口字段支持 65535 个同时连接，满足局域网多设备并发访问需求。

（3）争议与 NAT 穿越

• 争议：

  • 违反分层原则：路由器（网络层设备）处理传输层端口信息。

  • 违反端到端原则：需在中间设备（NAT 路由器）维护连接状态，增加网络复杂性。

  • 外网无法主动访问内网设备：需特殊机制实现 “NAT 穿越”。

• NAT 穿越方案：

  • 静态配置：固定映射公网 IP + 端口到内网 IP + 端口（如公网 138.76.29.7:2500 映射到内网 10.0.0.1:2500）。

  • UPnP（通用即插即用）：内网设备通过 UPnP 协议自动查询、添加 / 删除 NAT 映射表项。

  • 中继（如 Skype）：内网设备主动与中继服务器建立连接，外网设备通过中继服务器与内网设备通信。

4.3.5 IPv6

（1）动机

• IPv4 地址耗尽：32 位 IPv4 地址仅约 43 亿个，无法满足物联网等场景需求；IPv6 为 128 位地址，地址空间极大（可满足长期需求）。

• 简化头部处理：移除校验和（由链路层 / TCP/UDP 校验）、固定头部长度（40 字节），加速路由器转发。

• 支持 QoS：新增 “优先级”“流标签” 字段，便于对不同数据流提供差异化服务。

• 取消路由器分片：仅目标主机重组，路由器若遇 MTU 不足，直接丢弃数据包并发送 ICMPv6 “Packet Too Big” 报文，由源主机调整数据包大小。

（2）IPv6 头部格式

• 固定 40 字节头部：

  • 版本（4 位，IPv6 为 6）、优先级（4 位，数据流优先级）、流标签（20 位，标识同一数据流）。

  • 载荷长度（16 位，头部后的数据长度）、下一跳（8 位，指示上层协议或选项）、跳限制（8 位，类似 IPv4 的 TTL）。

  • 源 IP 地址（128 位）、目的 IP 地址（128 位）。

（3）与 IPv4 的关键差异

• 移除头部校验和：降低路由器处理开销。

• 选项处理：选项通过 “下一跳” 字段标识，不包含在固定头部中，保持头部简洁。

• ICMPv6：新增报文类型（如 “Packet Too Big”），整合 IPv4 中 IGMP（多播组管理）功能，支持多播组加入 / 退出。

（4）IPv4 到 IPv6 的平移

• 核心挑战：无法通过 “标记日（Flag Day）” 一次性升级（设备数量庞大，用户 / 应用兼容性要求高），需平滑过渡。

• 隧道技术：在 IPv4 网络中传输 IPv6 数据包，将 IPv6 数据包封装为 IPv4 数据包的载荷，通过 IPv4 路由器传输，到达目标 IPv6 网络后解封装。例如：两个 IPv6 “孤岛” 通过 IPv4 “海洋” 通信，借助隧道实现数据互通。

（5）IPv6 应用现状

• 部分场景已落地：谷歌约 8% 用户通过 IPv6 访问服务，美国 NIST（国家标准与技术研究院）1/3 政府域支持 IPv6。

• 部署周期长：预计需 20 年以上完成全面过渡，因设备升级、应用兼容性适配需长期推进。

4.4 通用转发和 SDN

4.4.1 传统网络的控制平面与数据平面

（1）网络层功能的平面划分

• 核心逻辑：网络层功能分为 “数据平面” 与 “控制平面”，两者配合实现主机到主机的分组交付；
• 类比：
  • 转发（数据平面）：类似 “通过单个路口的进出过程”（局部动作）；
  • 路由（控制平面）：类似 “从源到目标的旅行路径规划”（全局决策）。

（2）传统控制平面的实现方式

• 垂直集成：每台路由器同时实现控制平面与数据平面功能：
  • 控制平面：路由器运行 “路由协议实体”，通过与其他路由器的路由通告（如 “告知邻居下一跳”）计算路由表；
  • 数据平面：路由器的 “RP 协议实体” 按路由表对分组执行转发；
• 分布式实现：每台路由器仅实现控制平面的一部分功能，通过路由协议交互（如 OSPF），共同完成全局路由计算（老师举例：“全球几百万台路由器，各自算路由表，再配合实现全网可达”）；
• 核心粘连：路由表是控制平面与数据平面交互的关键（控制平面生成路由表，数据平面依赖路由表转发）。

4.4.2 传统网络的问题：中间盒与垂直集成缺陷

（1）数量众多、功能各异的中间盒

• 中间盒类型：除路由器外，还有交换机、防火墙、NAT、IDS（入侵检测系统）、负载均衡设备等；
• 核心问题：
  • 功能与设备绑定：每个网络功能需专属设备实现，且每台设备均 “垂直集成控制 + 数据平面”；
  • 维护难度大：网络管理员需掌握不同设备的拓扑、工作原理及配置（老师举例：“新人难以快速上手，网络管理员薪资高，因需维护大量复杂设备”）；
  • 升级成本高：新增功能需部署新设备，无法通过软件灵活调整。

（2）垂直集成的核心缺陷（对应课件 4-82、4-83）

• 垂直集成的三层绑定：

  1. 硬件绑定：设备硬件为厂商专属（如华为路由器硬件）；
  2. OS 绑定：硬件需运行厂商私有 OS（如华为专用 OS、新华三 Commware OS）；
  3. 协议绑定：OS 上运行厂商私有实现的标准协议（如 IP、OSPF）；
  • 老师举例：“买华为设备不能拆卖 —— 无法用华为硬件跑其他 OS，也不能用其他硬件跑华为软件，被厂商‘绑架’”；

• 传统方式的三大问题：

  1. 成本高、生态差：垂直集成无竞争，设备昂贵，阻碍第三方创新；
  2. 功能固化、灵活度低：无法实现流量工程（如拆分流量），升级需全网设备变更（如 IPv4→IPv6 难）；
  3. 管理复杂：配置错误影响全网，新增功能需部署新设备；

• 突破方向：2005 年提出 “控制平面与数据平面分离 + 集中控制”，即 SDN 雏形。

4.4.3 SDN 的核心思路与架构

（1）SDN 的核心思想：控制与数据平面分离

• 核心逻辑：打破传统 “垂直集成”，将控制平面从设备中剥离，由远程控制器集中实现；
• 架构分工：
  1. 数据平面：分组交换机（SDN 交换机）—— 仅按流表执行 “匹配 + 行动”，功能单一（如转发、丢弃、修改字段）；
  2. 控制平面：控制器 + 网络应用 —— 控制器集中计算流表，网络应用（如路由 APP、防火墙 APP）实现具体网络功能；
• 强调：“运营商仅需部署一种 SDN 交换机，下发不同流表即可实现路由器、防火墙等功能，大幅降低设备维护成本”。

（2）SDN 的优势

• 开放生态：水平集成控制平面，交换机、控制器、网络应用可由不同厂商提供（如白盒交换机厂商竞争，价格降低）；
• 易管理：控制器掌握全网状态，集中编程替代分布式配置，减少误操作；
• 可编程：通过修改网络应用或流表，快速升级网络功能（如无需等待 “标记日”，改流表即可调整路由）。

（3）SDN 的三大核心特点

1. 基于流的 “匹配 + 行动” 机制（如 OpenFlow）：匹配多字段（源 IP、端口等），支持多动作；
2. 控制平面与数据平面分离：数据平面仅执行，控制平面集中决策；
3. 控制平面在数据设备外实现：网络功能以 APP 形式运行在控制器上，支持灵活扩展。

（4）SDN 架构的三大组件

① 数据平面：SDN 分组交换机

• 特点：快速、简单、标准化，硬件实现转发功能；
• 核心交互：通过南向 API（如 OpenFlow）接收控制器下发的流表，上报自身状态（如端口流量）；
• 补充：“交换机像‘执行者’，不做复杂计算，仅按流表行动，成本低且易批量部署”。

② 控制平面：SDN 控制器（网络 OS）

• 核心功能：维护全网状态、计算流表、通过南北向接口交互；
• 接口分工：
  • 北向接口：与网络应用交互，接收功能需求（如防火墙 APP 需 “block 128.119.1.1”）；
  • 南向接口：与交换机交互，下发流表、接收状态上报；
• 部署特点：逻辑上集中，物理上可分布式部署（保障性能与可靠性）。

③ 控制应用

• 定位：网络的 “智能中枢”，基于控制器 API 实现网络功能（如路由、防火墙、负载均衡）；
• 优势：与厂商解耦 —— 第三方可开发应用（如创业公司开发新型流量调度 APP），促进创新。

4.4.4 OpenFlow：SDN 的 “匹配 + 行动” 标准

（1）流表：SDN 转发的核心

• 流的定义：由分组头部字段（如源 IP、目标 MAC、TCP 端口）共同定义的分组集合；
• 通用转发规则四要素：
  1. 模式（Pattern）：分组头部字段与流表项匹配（支持通配符，如 “src=10.1..”）；
  2. 行动（Action）：对匹配分组执行的操作（转发、丢弃、上报控制器等）；
  3. 优先权（Priority）：解决多表项匹配歧义（优先级高的先执行）；
  4. 计数器（Counters）：统计匹配的分组数、字节数（用于流量监控）。

（2）OpenFlow 流表项结构

• 表项组成：Rule（匹配规则）+ Action（行动）+ Stats（统计）；
• 匹配规则（Rule）：覆盖链路层（MAC）、网络层（IP）、传输层（TCP/UDP 端口）字段；
• 行动（Action）：支持转发到端口、丢弃、修改字段、上报控制器等；
• 统计（Stats）：记录匹配的分组数、字节数。

（3）OpenFlow 应用实例

① 实现传统设备功能

• 路由器：匹配 “目标 IP（最长前缀）”，行动 “转发到指定端口”；
• 防火墙：匹配 “TCP 端口 = 22” 或 “源 IP=128.119.1.1”，行动 “丢弃”；
• 交换机：匹配 “源 MAC=22:A7:23:11:E1:02”，行动 “转发到端口 3”；
• NAT：匹配 “源 IP=10.0.0.1”，行动 “修改源 IP 为 138.76.29.7”。

② 统一网络设备功能

• 核心逻辑：所有网络设备（路由器、防火墙、NAT 等）均可通过 “匹配 + 行动” 抽象描述，实现 “一种设备支持多场景”；
• 老师强调：“运营商仅需管理一种 SDN 交换机，通过流表切换功能，可维护性大幅提升”。

4.4.5 SDN 的流量工程优势

（1）传统路由的流量工程困境

• 传统局限：仅基于 “目标 IP + 链路代价” 选路，无法实现：
  1. 路径控制（如指定 U→Z 走特定路径）；
  2. 流量拆分（如 U→Z 的流量分两路负载均衡）；
  3. 流量区分（如蓝色流量与红色流量走不同路径）。

（2）SDN 的流量控制实例

• 场景：控制 H5（10.3.0.5）→H3（10.2.0.3）走 “S1→S3”，H6（10.3.0.6）→H4（10.2.0.4）走 “S1→S2”；

• 流表配置（S1 为例）：

  匹配条件	行动
  ingress port=1，IP src=10.3..，IP dst=10.2..	forward(4)
  ingress port=2，IP dst=10.2.0.3	forward(3)

• 优势：通过多字段匹配（入端口、源 IP、目标 IP），精准控制路径，传统路由无法实现。

4.4.6 4.4 核心总结

1. 传统网络：控制 + 数据平面垂直集成，转发表由分布式路由协议生成，功能固化；
2. SDN：控制 + 数据平面分离，流表由集中式控制器生成，网络可编程；
3. 关键衔接：流表 / 转发表的计算逻辑（控制平面如何生成规则），将在第 5 章详细讲解。

参考资料来源：中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程