Kapitel 4 网络层协议

提纲

网络层功能
IP协议（数据面）

  • IPv4数据包格式和地址

  • IPv4数据包转发

  • IPv4地址问题及解决策略

  • IPv6基础

ICMP协议

  • 路由算法（控制面）

  • 链路状态算法

距离向量算法

互联网路由协议：RIP,OSPF, BGP

软件定义网络（SDN）

4.1 网络层功能

网络层功能部署

网络层在每台主机和路由器中实现

发送端：将传输层数据单元封装在数据包中

接收端：解析接收的数据包中，取出传输层数据单元，交付给传输层

路由器：检查数据包首部，转发数据包

网络层关键功能

路由（控制面）:决定数据包从源主机到目的主机的路径

  • 核心：路由算法与路由协议

转发（数据面）:将数据包从路由器的输入接口送到输出接口的过程

控制面分为分布式的和集中式的

4.2 IP协议-IP服务

面向无连接的数据报服务

  • 不需要提前建立连接
  • 数据包基于目的主机地址进行转发
  • 数据包独立转发，相同源-目的的数据包可能经过不同的路径

尽力而为（Best-effort）的不可靠服务

  • 数据包可能会产生较长的时延
  • 数据包可能会丢失、失序、重复

IPv4数据包格式

IP地址：32位二进制逻辑地址，实现互联网络统一编址，标识主机和路由器的接口

接口：将主机和路由器连接到物理网络

  • 路由器一般有多个接口

  • 主机可以有一个或多个接口

  • IP与物理接口绑定

IP地址表示：点分割的十进制，如：223.1.1.1

IP地址层次：

  • 网络号部分（net-id）

  • 主机号部分（host-id）

什么是一个IP网络：

  • 位于同一个物理网络

  • 设备接口的IP地址的网络号部分相同，主机号部分不同

IPv4地址：如何获取

公有IP地址要求全球唯一，由区域互联网注册机构（RIR，Regional Internet Registry）或ISP分配

静态设定：

  • 申请固定IP地址，手工设定

动态获取：

  • 使用DHCP协议或其他动态配置协议

  • 当主机加入IP网络，允许主机从DHCP服务器动态获取IP地址

  • 可以有效利用IP地址，方便移动主机的地址获取

IPv4数据包转发

查表转发（网技讲过）

由路由协议和IP协议建表

IP数据包分片与重组

每种物理网络都规定MTU

  • 不同的物理网络MTU可能不同

较大的IP数据包在路由器转发时可能会被分片

  • 只有在最终的目的进行重组
  • IP数据包首部中的一些域段用于IP数据包的重组

为什么在路由器不能重组IPv4数据包？

  1. 如果下一跳路由器的MTU更小，重组后还需再分片，效率低下
  2. 分片过后的数据包的每一片路径可能不同

路由器转发IP数据包过程：总结

路由器确定IP数据包中目的地址的网络号

如果目的主机与路由器属于相同的IP网络，则直接转发到目的主机

如果目的主机与路由器不属于相同的IP网络，则查找路由表，确定下一跳路由器地址

  • 如果存在相应的路由信息，则转发

  • 如果没有相应的路由信息，则丢弃

减小TTL值，修改首部的校验和

将数据包转发到相应的接口

按类划分的IP地址存在的问题

net-id和host-id两部分划分不灵活

无类地址划分(CIDR)

IP地址分为前缀和后缀两部分

  • 一个前缀不一定标识一个物理网络

前缀可以是任意长度，前缀和后缀长度用32为掩码标识

CIDR 路由聚合

网络地址转换NAT

NAT面临的问题

  • 破坏端到端原则，应用部署困难
  • 代换，对网络性能有影响
  • 安全溯源、网络监管困难

IPv4局限性

  • 资源枯竭
  • 路由成为互联网瓶颈
  • 服务质量
  • 配置繁琐

解决方法

  • 无类型域间选路CIDR
  • 网络地址转换NAT

IPv6互联网的优势

  • 解决地址耗尽的问题 更大的地址空间32bit-128bit
  • 自动配置的支持
    • 无状态地址自动配置
    • 有状态地址自动配置
  • 改善网络性能
  • 方便业务开展，无需使用NAT

4.3 ICMP协议

ICMP封装在IP报文中

Tracert

4.4 路由算法

目标：确定从源主机到目的主机的最优路径

最优路径：一般为代价最小的路径

路由算法的分布式实现

  • 路由器之间交互路由信息或链路状态信息
  • 每台路由器独立计算最优路径

抽象

  • 路由器：点

  • 物理链路：边

  • 代价：边权

  • 链路代价

  • 路径代价

重点难点：毒性逆转、分布式算法

4.5 互联网路由协议

互联网层次化路由

扩展性问题

  • 目的网络太多
  • 路由表庞大，存储查找困难
  • 路由信息交互量大，额外开销高

管理的自治问题

  • 互联网由大量自治域构成
  • 自治域独立管理

自治域内路由：内部网关协议IGP

  • RIP路由信息协议
  • 开放最短路优先协议OSPF
  • 中间系统-中间系统IS-IS
  • 内部网关路由协议IGPR

自治域间路由

  • 网关协议BGP-4

BGP协议

  • eBGP:从相邻的AS获得网络可达信息
  • iBGP:将网络可达信息传播给AS内的路由器

基于网络可达信息和策略决定到其他网络的“最优”路由

BGP报文包括

  • Open报文：用于建立BGP对等体（peer）之间的会话连接，协商BGP参数（该过程需要认证）

  • Update报文：用于在对等体之间交换路由信息

  • Keepalive报文：用于保持BGP会话连接

  • Notification报文：用于差错报告和关闭BGP连接

4.6 软件定义网络SDN

解决的问题

  • 传统网元设备体系结构相对封闭，如交换机、路由器、NAT等，软硬件之间紧耦合，缺少开放性
  • 创新应用、部署业务相对困难，网络升级速度缓慢；网络控制不够灵活，不能有效利用网络资源

基本思路

  • 定义开放的体系结构
  • 控制平面和转发平面分离
  • 通过软件编程定义和控制网络，提高网络控制的灵活性

软件定义网络核心思想

解耦

  • 将控制平面和数据平面进行分离，解决传统网络中控制平面和数据平面在物理上紧耦合导致的

    问题解决的问题

  • 控制平面和数据平面之间不需要相互依赖，只需要遵循一定的开放接口即可进行通信

  • 控制平面：负责决策控制，由软件实现，灵活

  • 数据平面：专注数据转发，可有由通用硬件实现

抽象

  • 转发抽象：将数据平面抽象为通用的转发模型，如Openflow的交换机模型，各种转发表项，如MAC地址表、路由表、NAT转换表等，抽象为统一的流表
  • 分布状态抽象：控制层将设备的分布状态，抽象成全局的网络视图，从而实现逻辑的集中控制，具体可以通过网络操作系统来实现
    • 网络操作系统（NOS）：下发控制命令，收集设备和链路状态，为上层应用提供全局网络视图
  • 配置抽象：网络行为的表达通过编程语言实现，将抽象配置映射为物理配置，利用控制器提供的API，通过控制器配置全局设备