网络层

网络层服务

从发送主机向接收主机传送数据段

发送主机:将数据段封装到数据报中。

接收主机:向传输层交付数据段。

每个主机和路由器都运行网络层协议。

路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域。

网络层核心功能

转发与路由

转发(forwarding):将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口。

每个路由器维护一张转发表,转发表确定本路由器如何转发分组。

转发表的内容:地址-输出链路,如0100-3, 0101-2, 0111-2, 1001-1.

取出收到的数据报的地址信息,然后查转发表得到输出链路。

路由(routing):确定分组从源到目的经过的路径。

如何得到路由信息?

网络层设备都会运行一些路由协议,或路由算法(routing algorithms),根据路由算法确定通过网络的端到端路径。

连接的建立

数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接,网络设备(如路由器)参与连接的建立。

网络层连接与传输层连接的对比:

  • 网络层连接:两个主机之间的连接,并且在路径上的每个网络层设备都要参与建立连接。
  • 传输层连接:两个应用进程之间的连接(端到端的连接,对中间网络设备透明)。

网络层为发送端(主机)到接收端(主机)的数据报传送”通道(channel)”提供怎样的服务模型(service model)?

不同的网络架构(Network Architecture)提供的服务模型是不一样的。例如Internet提供的是best effort服务模型,不保障Bandwidth, Loss, Order或Timing,通过数据是否丢失来判断拥塞(congestion)。ATM的服务模型有CBR,VBR,ABR,UBR。

网络层服务模型

  • 无连接服务(connection-less service):
    • 不事先为系列分组的传输确定传输路径
    • 每个分组独立确定传输路径
    • 不同分组可能传输路径不同
    • 数据报网络(datagram network)
  • 连接服务(connection service):
    • 首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径(建立连接)
    • 然后沿该路径(连接)传输系列分组
    • 系列分组传输路径相同
    • 分组传输顺序可以保证
    • 传输结束后拆除连接
    • 虚电路网络(virtual-circuit network)

虚电路网络和数据报网络

虚电路网络

数据报网络和虚电路网络是典型的两类分组交换网络

数据报网络提供网络层无连接服务。

虚电路网络提供网络层连接服务。

类似于传输层的无连接服务(UDP)和面向连接服务(TCP),但是网络层服务:

  1. 是主机到主机的服务
  2. 网络核心实现(传输层是端到端实现)

虚电路:一条从源主机到目的主机,类似于电路的路径(逻辑连接)。

  • 分组交换
  • 每个分组的传输利用链路的全部带宽
  • 源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能

  • 通信过程:呼叫建立(call setup)——数据传输——拆除呼叫

  • 每个分组携带虚电路标识(VCID),而不是目的主机地址
  • 虚电路经过的每个网络设备(如路由器),都要维护每条经过它的虚电路的连接状态
  • 链路、网络设备资源(如带宽、缓存等)可以面向VC进行预分配
    • 预分配资源 = 可预期服务性能
    • 如ATM的电路仿真(CBR)

每条虚电路包括:

  1. 从源主机到目的主机到一条路径

  2. 虚电路号(VCID),沿路每段链路一个编号

    链路带宽越大,允许建立的虚电路的数量就越大。

    同一条虚电路在每一段链路上的VCID可能是不一样的。

  3. 沿路每个网络层设备(如路由器),利用转发表记录经过的每条虚电路。

沿某条虚电路传输的分组,携带对应虚电路的VCID,而不是目的地址。

同一条VC,在每段链路上的VCID通常不同:

  • 路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号

虚电路信令协议(signaling protocols)

用于VC的建立、维护与拆除:路径选择

应用于虚电路网络:如ATM、帧中继(frame-relay)网络等

目前的Internet不采用。

初识呼叫——呼叫到达——接受呼叫——呼叫建立——数据流开始——接收数据

通信结束后,也通过虚电路信令协议进行呼叫的拆除。

数据报网络

网络层无连接

每个分组携带目的地址

路由器根据分组的目的地址转发分组:

  • 基于路由协议/算法构建转发表
  • 检索转发表
  • 每个分组独立选路
  • 每个分组走的路径可能不一样,因为如果在传输过程中路由器更新了转发表,那么后面的分组就会走新的路径

数据报中含有目的主机的IP地址。但是IP地址是32位的二进制数,一共有2^32种不同情况,严重降低了传输效率。解决方法是:转发表中的目的地址不是一个明确的地址,而是一个地址范围。这样就将许多具有共同列表地址的转发表进行了聚合。

目的地址范围的匹配采用最长前缀匹配优先(在检索转发表时,优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口[entry])。

Internet(数据报网络)

  • 计算机之间的数据交换:”弹性”服务,没有严格时间需求。
  • 链路类型众多:特点、性能各异,统一服务困难。
  • “智能”端系统:可以自适应、性能控制、差错恢复
  • 简化网络,复杂”边缘”

ATM(VC网络)

  • 电话网络演化而来
  • 核心业务是实时对话:严格的时间、可靠性需求,需要有保障的服务。
  • “哑”端系统(非智能):电话机、传真机
  • 简化”边缘”,复杂网络

IPv4协议

Internet网络层

主要功能就是路由和转发。

主机、路由器网络层主要功能:

  • 路由协议:路径选择,如RIP,OSPF,BGP
  • 转发表(路由表)
  • IP协议:寻址规约(conventions),数据报(分组)格式,分组处理规约
  • ICMP协议(互联网控制报文协议):差错报告,路由器”信令协议”
  • 实现IP协议,通常也要实现ICMP协议。后者可以看做是前者的一个伴随协议。

IP数据报(分组)格式

IP数据报格式:首部 + 数据(e.g. TCP, UDP段)

数据报长度是32位,即从0到31位。

首部(固定部分5行、可变部分1行)

数据(1行)

首部分为固定部分和可变部分。

固定部分:

版本号(4位,0~3),首部长度,服务类型(TOS),总长度

标识,标识位,片偏移

生存时间(TTL),协议,首部检验和

源IP地址

目的IP地址

可变部分:

选项字段(长度可变),填充

  1. 版本号:4位,如果是IPv4就是4,如果是IPv6就是6。

  2. 首部长度:4位。是IP分组的首部长度。

    • 以4字节为单位(1行32比特,刚好4字节)
    • IP固定部分首部长度为5*4=20字节
    • 最典型的,例如是IPv4协议,那么版本号是0100(4d),首部长度0101(5d)。
  3. 服务类型(TOS):8位,指示期望获得哪种类型的服务。
    • 1998年这个字段改名为区分服务
    • 只有在网络提供区分服务(DiffServ)时使用
    • 一般情况下不使用,通常IP分组的该字段(第2字节)的值为00H
  4. 总长度:16位,是IP分组的总字节数(首部+数据)
    • 最大IP分组的总长度:65535B
    • 最小的IP分组首部:20B(可变部分为0)
    • IP分组可以封装的最大数据:65535-20=65515B
    • 当然在实际中不会达到最大数据,因为一定会将它切分的。
  5. 生存时间(TTL):8位,是IP分组在网络中可以通过的路由器数(或跳步数)
    • 路由器转发一次分组,TTL减一
    • 如果TTL=0,则路由器丢弃该IP分组
  6. 协议:8位,指示IP分组封装的是哪个协议的数据包
    • 实现复用/分解
    • 6为TCP,表示封装的是TCP段;17为UDP,表示封装的是UDP数据报
  7. 首部校验和:16位,实现对IP分组首部的差错检测
    • 计算校验和时,该字段置为全0
    • 采用反码算数运算求和,和的反码作为首部校验和字段
    • 逐跳计算、逐跳检验
  8. 源IP地址、目的IP地址字段各占32位

IP分片

网络链路存在MTU(最大传输单元)——链路层数据可封装数据的上限。不同链路的MTU不同。

大IP分组向较小MTU链路转发时,可以被”分片”(fragmented)。

IP分片到达目的主机后进行”重组”(reassembled)。

路由器对IP分组只分片不重组。

如果此路由器不让分片,那么就把这个IP分组丢掉,一般地会再发一个ICMP的分组(具体是怎样再查查,这里只是粗略记录)。

IP首部中的总长度、标识、标识位和片偏移用来标识分片以及确定分片的相对顺序。

标识字段:16位,用于标识一个IP分组

  • IP协议利用一个计数器,每产生一个IP分组,计数器就加一,利用此时计数器的值和其他一些信息唯一标识该IP分组

标识位:3位

IP编址

接口:主机/路由器与物理链路的连接

  • 实现网络层功能
  • 路由器通常有多个接口
  • 主机通常只有一个或两个接口(有线的以太网接口,无限的802.11接口)

IP地址:32比特(IPv4)编号用于标识主机、路由器的接口

一般用点分十进制的方式表示。

11011111 00000001 00000001 00000001 = 233.1.1.1

一个IP地址唯一标识一个接口。

IP地址与每个接口关联。

IP子网(subnets)

IP地址:

  • 网络号(NetID) - 高位比特
  • 主机号(HostID) - 低位比特

NetID HostID

233.1.1 .1

相同的网络号构成IP子网。

IP子网:

  • IP地址具有相同网络号的设备接口
  • 不跨越路由器(第三及以上层网络设备)可以彼此物理联通的接口

“有类”编址:

A类地址,50%:NetID(8位) + HostID(24位)

0.0.0.0 ~ 127.255.255.255

B类地址,25%:NetID(16位) + HostID(16位)

128.0.0.1 ~ 191.255.255.255

C类地址,12.5%:NetID(24位) + HostID(8位)

192.0.0.0 ~ 223.255.255.255

D类地址,6.25%:32位,1110

224.0.0.0~239.255.255.255

E类地址,6.25%:32位,1111

240.0.0.0~255.255.255.255

IP子网划分与子网掩码

子网划分:

IP地址——网络号(NetID) + 子网号(SubID) + 主机号(HostID)

就是将刚才的主机号划分为了:子网号(SubID) + 主机号(HostID)。即 子网号是原主机号的部分比特。

子网划分定义:Internet组织机构定义了五种IP地址,有A、B、C三类地址。A类网络有126个,每个A类网络可能有16777214台主机,它们处于同一广播域。而在同一广播域中有这么多节点是不可能的,网络会因为广播通信而饱和,结果造成16777214个地址大部分没有分配出去。可以把基于每类的IP网络进一步分成更小的网络,每个子网由路由器界定并分配一个新的子网网络地址,子网地址是借用基于每类的网络地址的主机部分创建的。划分子网后,通过使用掩码,把子网隐藏起来,使得从外部看网络没有变化,这就是子网掩码。

比如,当一组IP地址指定给一个公司时,公司可能将该网络“分割成”小的网络,每个部门一个。这样,技术部门和管理部门都可以有属于它们的小网络。通过划分子网,我们可以按照我们的需要将网络分割成小网络。这样也有助于降低流量和隐藏网络的复杂性。

子网掩码:

形如IP地址:32位,点分十进制形式

取值:NetID, SubID位全取1,HostID全取0

例如:

A网的默认子网掩码为:255.0.0.0

B网的默认子网掩码为:255.255.0.0

C网的默认子网掩码为:255.255.255.0

借用3比特划分子网的B网的子网掩码为:255.255.224.0 (224就是11100000)

子网地址+子网掩码 —— 准确确定子网大小

将IP分组的目的IP地址与子网掩码按位与运算,提取子网地址。

CIDR与路由聚集

无类域间路由(CIDR: Classless InterDomain Routing)

  • 消除传统的A、B、C类地址界限:将NetID和SubID合在一起变成Network Prefix(Prefix),即统称为网络前缀,并且可以任意长度

  • 融合子网地址与子网掩码,方便子网划分

    无类地址格式:a.b.c.d/x,其中x为前缀长度

11001000 00010111 00010000 00000000

前面是前缀(长为8+8+7=23),后面是主机号HostID。

写成CIDR地址形式就是200.23.16.0/23。

优势

  • 提高IPv4地址空间分配效率
  • 提高路由效率
    • 将多个子网聚合为一个较大的子网
    • 构成超网
    • 路由聚合(route aggregation)

DHCP协议

如何获得IP地址?

  • “硬编码”:静态配置

  • 动态主机配置协议 - DHCP:Dynamic Host Configuration Protocol

    从服务器动态获取:IP地址、子网掩码、默认网关地址、DNS服务器名称与IP地址

    “即插即用”

    允许地址重用

    支持在用地址续租

    支持移动用户加入网络

动态主机配置协议DHCP

  1. 主机广播”DHCP discover”(发现报文)等待是否有DHCP服务器响应
  2. DHCP服务器利用”DHCP offer”(提供报文)进行响应,告诉客户端自己可以提供的一个IP地址
  3. 主机请求IP地址:客户端向服务器发送”DHCP request”(请求报文)表示愿意接受这个IP地址同时请求服务器将它真正分配给自己
  4. DHCP服务器分配IP地址:服务器向客户端发送”DHCP ack”(确认报文)表示确认分配

DHCP协议在应用层实现:

  • 请求报文封装到UDP数据报中
  • IP广播
  • 链路层广播(例如,以太网广播)

DCHP服务器内建于服务器中。

DHCP服务器构造ACK报文,包括分配给客户的IP地址、子网掩码、默认网关、DNS服务器地址。

NAT网络地址转换

本地网络内通信的IP数据报的源与目的IP地址均在子网10.0.0/24(显然这是一个私有地址,比如说是家庭网络)内。

所有离开本地网络去往Internet的数据报的源IP地址需要替换为相同的NAT IP地址(例如138.76.29.7)以及不同的端口号。

动机:

  • 只需从ISP申请一个IP地址,因此面临IPv4地址耗尽
  • 本地网络设备IP地址的变更,无需通告外界网络
  • 变更ISP时,无需修改内部网络设备IP地址
  • 内部网络设备对外界网络不可见,即不可直接寻址

实现:

  • 替换:利用(NAT IP地址,新端口号)替换每个外出IP数据报的(源IP地址,源端口号)
  • 记录:将每对(NAT IP地址,新端口号)与(源IP地址,源端口号)的替换信息存储到NAT转换表中
  • 根据NAT转换表,用(源IP地址,源端口号)替换每个进入内网IP数据报的(目的IP地址,目的端口号)

NAT转换表包含:WAN端地址、LAN端地址。

NAT穿透问题:外部设备期望连接内网地址的服务器

方法1: 静态配置NAT(转换表),将特定端口的连接请求转发给服务器。

方法2: 利用UPnP(Universal Plug and Play)互联网网关设备协议(IGD-Internet Gateway Device)自动配置:学习到NAT公共IP地址,在NAT转换表中增删端口映射。

方法3: 中继(如Skype)

互联网控制报文协议ICMP

Internet Control Message Protocol支持主机或路由器

差错或异常报告

网络探询

两类ICMP报文:

差错报文

IPv6

最初动机:32位IPv4地址空间已分配殆尽

其他动机:改进首部格式:快速处理/转发数据报,支持QoS

IPv6数据报格式:

  • 固定长度的40字节基本首部
  • 不允许分片

虽然首部没有可选项、是固定长度,但是有可选的扩展首部。

IPv6数据报格式:

基本首部,扩展首部1,扩展首部2,…,扩展首部N,数据部分(例如TCP段)

路由算法

路由算法(协议)确定最佳路径,转发表确定在本路由器如何转发分组。

路由算法分类

静态路由&动态路由

静态路由:

  • 手工配置
  • 路由更新慢
  • 优先级高

动态路由:

  • 路由更新快
    • 定期更新
    • 及时响应链路费用或网络拓扑结构变化
  • 由路由算法计算出来的

全局信息&分散信息

全局信息:

  • 所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息。
  • 链路状态(LS)路由算法

分散信息:

  • 路由器只掌握物理相连的邻居以及链路费用。
  • 距离向量(DV)路由算法

链路状态路由算法

Dijkstra算法

  • c(x, y): 结点x到结点y的链路费用;如果x和y不直接相连,则为∞。

  • D(v): 从源到目的v的当前路径费用值。

  • p(v): 沿从源到v的当前路径,v的前序结点集合。
  • N’: 已经找到最小费用路径的结点集合。
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11
12
13
初始化:
N'= {u}
for 所有结点v
if v nextTo u
D(v) = c(u, v)
else
D(v) = ∞

循环:
找出不在N'中的结点w,使得D(w)最小
将w加入N'
更新w的所有不在N'中的邻居v的D(v): D(v) = min{c(v, w)+D(w), D(v)}
until 所有结点都在N'中

但是存在振荡现象。

距离向量路由算法

Bellman-Ford方程(动态规划)

  • Dx(y) := 从x到y最短路径的费用(距离)
  • Dx(y) = min{c(x, v) + Dv(y)}

异步迭代:

  • 引发每次局部迭代的因素:
    • 局部链路费用改变
    • 来自邻居的DV更新

分布式:

  • 每个结点只当DV变化时才通告给邻居

无穷计数问题

层次路由

将任意规模网络抽象为一个图计算路由——过于理想化。

标识所有路由器

“扁平”网络

网络规模巨大时,交换量会占用所有网络带宽。

聚合路由器为一个区域:自治系统AS

Internet路由

AS内部路由:

  • Internet采用层次路由
  • AS内部路由协议也称为内部网络协议IGP(interior gateway protocol)
  • 最常见的AS内部路由协议:
    • 路由信息协议:RIP(Routing Information Protocol)
    • 开放最短路径优先:OSPF(Open Shortest Path First)
    • 内部网关路由协议:IGRP(Interior Gateway Routing Protocol)
      • Cisco私有协议

RIP

早于1982年随BSD- UNIX操作系统发布

跳数指从源端口到达目的端口所经过的路由个数,每经过一个路由器,跳数加1 。数据包经过一台路由器就是一跳,经过的路由器数量,就是它的跳数。

距离向量路由算法:

  • 距离度量:跳步数(max = 15hops),每条链路1个跳步
  • 每隔30秒,邻居之间交换一次DV,成为通告(advertisement)
  • 每次通告:最多25个目的子网(IP地址形式)

LINK

OSPF(Open Shortest Path First)协议:

  • 开放:公众可用
  • 采用链路状态路由算法

Don’t let anyone rush yourself with their timelines.

Author

preccrep

Posted on

2021-05-09

Updated on

2021-05-23

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