# 网络层协议-数据平面

# 转发和路由选择：数据平面和控制平面

转发和路由

转发：是指将分组从一个输入链路接口转移到适当的输出链路接口的路由器本地动作。转发发生的时间尺度很短(通常为几纳秒)，因此通常用硬件来实现。

路由选择(routing)：是指确定分组从源到目的地所采取的端到端路径的网络范围处理过程。路由选择发生的时间尺度长得多(通常为几秒)，因此通常用软件来实现。

# 路由器工作原理

输入端口。输入端口(input port)执行几项重要功能。它在路由器中执行终结入物理链路的物理层功能，这显示在图4・4 中输入端口部分最左侧的方框与输出端口部分最右侧的方框中。

交换结构。交换结构将路由器的输入端口连接到它的输岀端口。这种交换结构完全包含在路由器之中，即它是一个网络路由器中的网络!

输出端口。输出端口存储从交换结构接收的分组，并通过执行必要的链路层和物理层功能在输出链路上传输这些分组。当一条链路是双向的时(即承载两个方向的流量)，输出端口通常与该链路的输入端口成对出现在同一线路卡上。

路由选择处理器。路由选择处理器执行控制平面功能。在传统的路由器中，它执行路由选择协议(我们将在5. 3节和5. 4节学习)，维护路由选择表与关联链路状态信息，并为该路由器计算转发表。

# 路由器转发策略

基于目的地的转发

输入端口处理和基于目的地转发：转发表是由路由选择处理器计算和更新的(使用路由选择协议与其他网络路由器中的路由选择处理器进行交互)，或者转发表接收来自远程SDN控制器的内容。

最长前缀匹配规则 ：IP地址前缀匹配：通过匹配IP地址前缀，选择对应的转发端口

通用转发

# 路由器交换策略

交换结构位于一台路由器的核心部位, 因为正是通过这种交换结构, 分组才能实际地从一个输入端口交换(即转发)到一个输出端口中。

经内存交换。最简单、最早的路由器是传统的计算机，在输入端口与输出端口之间的交换是在CPU (路由选择处理器)的直接控制下完成的。
经总线交换。在这种方法中，输入端口经一根共享总线将分组直接传送到输出端口，不需要路由选择处理器的干预。
经互联网络交换。克服单一、共享式总线带宽限制的一种方法是，使用一个更复杂的互联网络，例如过去在多处理器计算机体系结构中用来互联多个处理器的网络。纵横式交换机就是一种由2/V条总线组成的互联网络，它连接/V个输入端口与N个输岀端口，如图4・6所示。每条垂直的总线在交叉点与每条水平的总线交叉, 交叉点通过交换结构控制器(其逻辑是交换结构自身的一部分)能够在任何时候开启和闭合。当某分组到达端口A,需要转发到端口Y时，交换机控制器闭合总线A和Y交叉部位的交叉点，然后端口 A在其总线上发送该分组，该分组仅由总线Y接收。注意到来自端口B的一个分组在同一时间能够转发到端口X,因为 A 到 Y 和 B 到 X 的分组使用不同的输入和输岀总线。

因为随着这些队列的增长，路由器的缓存空间最终将会耗尽，并且当无内存可用于存储到达的分组时将会出现丢包(packet loss)

头部阻塞HOL问题：一个例子，其中在输入队列前端的两个分组(带深色阴影)要发往同一个右上角输出端口。假定该交换结构决定发送左上角队列前端的分组。在这种情况下，左下角队列中的深色阴影分组必须等待。但不仅该分组要等待，左下角队列中排在该分组后面的浅色阴影分组也要等待，即使右中侧输出端口(浅色阴影分组的目的地)中无竞争。这种现象叫作输入排队交换机中的线路前部 (Head-Of-the-Line, HOL)阻塞，即在一个输入队列中排队的分组必须等待通过交换结构发送(即使输出端口是空闲的)，因为它被位于线路前部的另一个分组所阻塞。

# 网际协议IPv4，IPv6及寻址等

# IPv4数据报格式

注意到一个IP数据报有总长为20字节的首部(假设无选项)。如果数据报承载一个TCP报文段，则每个(无分片的)数据报共承载了总长40字节的首部(20字节的IP首部加上20字节的TCP首部)以及应用层报文。

MTU最大传输单元：一个链路层帧能承载的最大数据量叫作最大传送单元(Maximum Transmission Unit, MTU) 。

IP数据包长度大于MTU时需要分片，IPv4的设计者将标识、标志和片偏移字段放在IP数据报首部中。当生成一个数据报时，发送主机在为该数据报设置源和目的地址的同时贴上标识号。发送主机通常将它发送的每个数据报的标识号加1。当某路由器需要对一个数据报分片时，形成的每个数据报(即片)具有初始数据报的源地址、目的地址与标识号。当目的地从同一发送主机收到一系列数据报时，它能够检查数据报的标识号以确定哪些数据报实际上是同一较大数据报的片。由于IP是一种不可靠的服务，一个或多个片可能永远到达不了目的地。因为这种原因，为了让目的主机绝对地相信它已收到了初始数据报的最后一个片，最后一个片的标志比特被设为0,而所有其他片的标志比特被设为1。另外，为了让目的主机确定是否丢失了一个片(且能按正确的顺序重新组装片)，使用偏移字段指定该片应放在初始IP数据报的哪个位置。

# 子网、子网掩码

对于一个路由器和主机的通用互联系统，我们能够使用下列有效方法定义系统中的子网:

为了确定子网，分开主机和路由器的每个接口，产生几个隔离的网络岛，使用接口端接这些隔离的网络的端点。这些隔离的网络中的每一个都叫作一个子网

因特网的地址分配策略被称为无类别域间路由选择(Classless Inlerdomain Routing, :CIDR) 。

网络前缀表示子网号

# 路由聚合

该ISP (我们称之为Fly- ByNight-ISP) 向外界通告，它应该发送所有地址的前20比特与200. 23. 16. 0/20相符的数据报。外界的其他部分不需要知道在地址块200. 23. 16. 0/20内实际上还存在8个其他组织，其中每个组织有自己的子网°这种使用单个网络前缀通告多个网络的能力通常称为地址聚合(address aggregation),也称为路由聚合(route aggregation)或路由摘要 (route summarization)。层次路由需要选择最长前缀匹配规则来进行子网选择。

# 分类编址（A，B，C, D）四类网络

在CIDR被采用之前，IP地址的网络部分被限制为长度为8、16或24比特，这是一种称为分类编址(classful addressing)的编址方案，这是因为具有8、16和24比特子网地址的子网分别被称为A、B和C类网络。

特殊IP地址：广播地址：255.255.255.255

DHCP协议（动态主机配置协议）（C-S协议）DHCP服务器

某组织一旦获得了一块地址，它就可为本组织内的主机与路由器接口逐个分配IP地址。系统管理员通常手工配置路由器中的【P地址(常常在远程通过网络管理工具进行配置)。主机地址也能手动配置，但是这项任务目前更多的是使用动态主机配置协议(Dy・ namic Host Configuration, DHCP) [RFC 2131]来完成。DHCP 允许主机自动获取(被分配)一个IP地址。网络管理员能够配置DHCP,以使某给定主机每次与网络连接时能得到一个相同的IP地址，或者某主机将被分配一个临时的IP地址(tempomry IP address),每次与网络连接时该地址也许是不同的。除了主机IP地址分配外，DHCP还允许一台主机得知其他信息，例如它的子网掩码、它的第一跳路由器地址(常称为默认网关)与它的本地 DNS服务器的地址。

客户机通过DHCP协议获取动态IP的四个步骤

DHCP服务器发现。一台新到达的主机的首要任务是发现一个要与其交互的DHCP服务器。这可通过使用DHCP发现报文(DHCP discover message)来完成，客户在 UDP分组中向端口 67发送该发现报文。广播地址255.255.255.255
DHCP服务器提供。DHCP服务器收到一个DHCP发现报文时，用 DHCP提供报文(DHCP offer message)向客户做出响应，该报文向该子网的所有节点广播，仍然使用IP广播地址255. 255. 255. 255 (你也许要思考一下这个服务器为何也必须采用广播)。因为在子网中可能存在几个DHCP服务器，该客户也许会发现它处于能在几个提供者之间进行选择的优越位置。每台服务器提供的报文包含有收到的发现报文的事务ID、向客户推荐的IP地址、网络掩码以及IP地址租用期(ad dress lease time) , 即IP地址有效的时间量。服务器租用期通常设置为几小时或几天 [Droms 2002 ] 。
DHCP请求。新到达的客户从一个或多个服务器提供中选择一个，并向选中的服务器提供用DHCP请求报文(DHCP request mess昭e)进行响应，回显配置的参数。
DHCP ACKO 服务器用 DHCP ACK 报文(DHCP ACK message)寸DHCP 请求报文进行响应，证实所要求的参数。

# 网络地址转换NAT

私有地址与公有地址（全球可接入IP）之间的相互转换（使用NAT地址转换表）广域网IP：port == 局域网 IP：port

# IPv6数据报格式

扩大的地址容量。IPv6将 IP地址长度从32比特增加到128比特。这就确保32比特版本流量类型流标签目的地址(128比特) 全世界将不会用尽IP地址。

IPV6相对于IPV4，中间路由器不在具有分片的性质

IPv6不允许在中间路由器上进行分片与重新组装。这种操作只能在源与目的地执行。如果路由器收到的IPv6数据报因太大而不能转发到出链路上的话，则路由器只需丢掉该数据报，并向发送方发回一个“分组太大”的ICMP差错报文即可(见5.6节)。于是发送方能够使用较小长度的IP数据报重发数据。分片与重新组装是一个耗时的操作，将该功能从路由器中删除并放到端系统中,大大加快了网络中的IP转发速度。

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