网络层¶
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一、 网络层设计概述 (Network Layer Design Issues)¶
- 存储转发分组交换 (Store-and-Forward Packet Switching)：
- 解释：主机发送的分组先传送到最近的路由器，路由器验证并存储分组，待输出链路空闲时再转发到下一个路由器。
- 为传输层提供的服务：
- 设计目标：独立于路由器技术、屏蔽路由器的数量/类型/拓扑、使用统一的编址方案。
- 无连接服务 (Connectionless - 数据报子网)：
- 解释：每个分组独立路由，无需提前建立路径。类似电报。
- 面向连接服务 (Connection-Oriented - 虚电路子网)：
- 解释：在发送数据前必须先建立一条逻辑路径（ VC ）。类似电话系统。
- 对比总结 (关键例子/表格)：
- 数据报：路由器不持有连接状态，路径可能随分组变化，可靠性由主机负责。
- 虚电路：每个连接在路由器中占用表空间，所有分组沿固定路径，易于提供 QoS 保证。
二、 路由算法 (Routing Algorithms)¶
- 最优化原则 (Optimality Principle)：
- 如果路由器 J 在从 I 到 K 的最优路径上，那么从 J 到 K 的最优路径也一定落在同一条路径上。由此产生的路径集合构成汇集树 (Sink Tree)。
- 最短路径路由 (Shortest Path Routing)：
- Dijkstra 算法：用于计算单源最短路径。
- 过程：节点标记为(距离, 前驱节点)，分为临时(temporary)和永久(permanent)两种状态，不断选取距离最短的临时节点转为永久节点。
- 泛洪算法 (Flooding)：
- 解释：将入分组转发到除来路以外的所有出链路。通常配合跳数计数器 (Hop counter) 使用以防无限循环。
- 距离向量路由 (Distance Vector - DV)：
- 公式：\(R\) 通过 \(X\) 到达 \(i\) 的延迟 = \(Estimate(X, i) + Delay(R, X)\)。
- 问题：无穷大计数问题 (Count-to-infinity)。它对好消息反应快，对坏消息反应慢。
- 尝试解决方法：毒性逆转 (Poisoned reverse)。
- 链路状态路由 (Link State - LS)：
- 步骤：发现邻居 \(\rightarrow\) 设置代价 \(\rightarrow\) 构造 LS 分组 \(\rightarrow\) 泛洪扩散 \(\rightarrow\) 计算最短路径。
- 代表协议： OSPF, IS-IS。
- 分层路由 (Hierarchical Routing)：
- 解释：随着网络规模扩大，将路由器划分为区域、簇、区、组等，以减小路由表规模。
- 公式：对于 \(N\) 个路由器的子网，最优层级数约为 \(\ln N\)，每个路由器约需 \(e \ln N\) 条目。
- 其他路由：
- 广播 (Broadcast)：发送给所有目的地（常用反向路径转发 RPF ）。
- 组播 (Multicast)：发送给特定组（剪枝生成树）。
- 选播 (Anycast)：发送给组中最近的一个。
- 移动主机路由：注册转交地址（ Care-of address ），通过隧道（ Tunnel ）传输。
- 自组织网络 (Ad Hoc)：使用 AODV 协议 进行按需路由发现。
三、 网络互连 (Internetworking)¶
- 隧道技术 (Tunneling)：
- 例子：将 IPv6 分组封装在 IPv4 分组中，穿越 IPv4 网络（类似汽车装在火车车厢里穿过英吉利海峡隧道）。
- 分段 (Fragmentation)：
- 原因：不同网络有不同的 MTU (最大传输单元)。
- 透明分段：在出口路由器重组；非透明分段：在目的地主机重组。
- 路径 MTU 发现 (Path MTU Discovery)：通过探测找到路径上最小的 MTU ，避免中途分段。
四、 软件定义网络 (SDN)¶
- 核心思想：数据平面（ Data Plane ）与控制平面（ Control Plane ）分离。
- 数据平面：本地、每台路由器执行，根据流表进行分组转发。
- 控制平面：全网逻辑，决定分组如何路由。
- 实现方式：
- 传统方式：分布式路由算法（ OSPF/BGP ）运行在每个路由器中。
- SDN 方式：远程控制器（ Remote Controller ）计算并安装流表到交换机中。
- OpenFlow 协议：控制器与交换机通信的标准协议。
- 流表条目由 Match （匹配） + Action （动作） + Stats （统计） 组成。
五、 互联网中的网络层 (The Network Layer in the Internet)¶
- IPv4 协议：
- 首部字段： Version, IHL(首部长度), Total length(最大 65535 字节), Identification/DF/MF/Offset(分段相关), TTL(生命周期), Protocol, Checksum, Source/Dest Address。
- CIDR (无分类域间路由)：使用斜线表示法，如
/19。最长前缀匹配原则。 - NAT (网络地址转换)：允许私有 IP （ 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16 ）通过一个公网 IP 上网，缓解地址枯竭。
- IPv6 协议：
- 特点： 128 位地址，简化首部（固定 40 字节），支持流标签，取消校验和。
- 表示法：八组四位十六进制，
::可代表一段全 0。
- 控制协议：
- ICMP：报告非正常事件（如
traceroute,ping）。 - ARP：已知 IP 找 MAC 地址（广播请求）。
- DHCP：动态获取 IP 地址。
- ICMP：报告非正常事件（如
- 路由协议：
- RIP：内部网关协议，基于 DV ，最大跳数 15。
- OSPF：内部网关协议，基于 LS ，支持多路径、安全认证、分层。
- BGP：外部网关协议，基于路径向量（ Path Vector ），考虑政治和策略因素。
六、 拥塞控制 (Congestion Control)¶
- 起因：突发流量、内存不足、CPU 慢、带宽低。
- 与流量控制的区别：拥塞控制是全网性的；流量控制是端到端的。
- 方法：
- 流量感知路由：调整权重避开繁忙链路。
- 准入控制：不满足 QoS 要求的连接不予建立。
- 抑制包 (Choke Packets)：路由器直接通知源端减速。
- 显式拥塞通知 (ECN)：在 IP 首部标记拥塞。
- 负载脱落 (Load Shedding)：直接丢弃包。RED (随机早期检测) 在缓冲区满之前随机丢包，促使 TCP 减速。
七、 服务质量 (Quality of Service - QoS)¶
- 四大参数：可靠性、延迟、抖动（ Jitter ）、带宽。
- 流量整形 (Traffic Shaping)：
- 漏桶 (Leaky Bucket)：以恒定速率流出。
- 令牌桶 (Token Bucket)：允许某种程度的突发流量。
- 分组调度：
- 加权公平排队 (WFQ)：根据权重分配带宽。
- 完成时间计算公式 (Finish Time)：\(F_i = \max(A_i, F_{i-1}) + L_i/W\)
- \(i\): 第\(i\)个分组；\(F_i\): 完成时间；\(A_i\): 到达时间；\(L_i\): 分组长度；\(W\): 权重。
- QoS 架构：
- IntServ (综合服务)：基于流量，使用 RSVP 协议预留资源。
- DiffServ (区分服务)：基于类别，如加速转发（ Expedited Forwarding ）或确定转发（ Assured Forwarding ）。
例子总结¶
- 计算例子 (Page 120)：如何将
192.24.0.0/19分配给不同需求的机构（ Cambridge 2048 个, Oxford 4096 个等）。 - 路由例子 (Page 31/43)： J 路由器如何通过邻居 A, H, I, K 的向量更新自己的延迟估计表。
- SDN 例子 (Page 102)： S1 发生链路故障，发送 OpenFlow 消息通知控制器，控制器调用 Dijkstra 算法重新计算并安装流表。