计算机网络阅读笔记（四）网络层

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计算机网络第四章阅读笔记

概述（网络层的三个重要功能）

转发（forwarding）

当一个分组到达路由器的一条输入链路时，路由器必须将该分组移动到适当的输出链路

网际协议（IP)，网络层编址，IPv4数据报格式，网络地址转换（NAT)，数据报分段，因特网控制报文协议（ICMP），IPv6

路由选择（routing）

当分组从发送方流向接收方时，网络层必须决定这些分组所采用的路由或路径。

两种流行算法（链路状态和距离矢量算法），等级制路由选择方法（因特网自治系统内部：RIP，OSPF，IS-IS；因特网自治系统之间：BGP），广播和多播的路由选择

连接建立（connection setup）

允许发送方和接收方建立所需的状态信息通过某种方式进行交流

ATM、帧中继、MPLS

虚电路和数据报网络

虚电路(Virtual-Circuit, VC)

仅在网络层提供连接服务的计算机网络

虚电路组成

  1. 源和目的主机之间的路径（一系列链路和路由器）
  2. VC号，沿着该路径的每段链路的一个号码
  3. 沿着该路径的每台路由器中的转发表表项

数据报网络(datagram network)

仅在网络层提供无连接服务的计算机网络

每台路由器有一个将目的地址映射到链路接口的转发表。根据最长前缀匹配规则进行转发

前缀匹配 链路接口
11001000 00010111 00010 0
11001000 00010111 00011000 1
11001000 00010111 00011 2
其他 3

路由器

输入端口

线路端接 数据链路处理 查找，转发，排队
. （协议，拆封） 根据转发表的副本查找输出端口（转发表由路由选择处理器计算和更新）

对于双向链路，其输入和输出端口在同一线路卡上成对出现

交换结构

  1. 经内存交换
  2. 经总线交换
  3. 经纵横式网络交换

输出端口

排队 数据链路处理 线路端接
（缓存管理） （协议，拆封） .

输出端口排队

分组调度程序(packet scheduler)

用于在排队的分组中选择一个来发送

例如：先来先服务调度(FCFS)，加权公平排队(WFQ)

主动队列管理(Active Queue Management, AQM)

丢包：路由器缓存空间耗尽，无内存可用于存储到达的分组，造成分组被丢弃

主动队列管理：在缓存填满前便丢弃（或在首部加标记）一个分组，以便向发送方提供一个拥塞信号，例如：随机早期检测(Random Early Detection, RED)

输入端口排队

线路前部(Head-Of-the-Line, HOL)阻塞：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（即时输出端口是空闲的），因为它被位于线路前部的另一个分组所阻塞

网际协议

名词

  • IP数据报分片（ID，偏移，标志flag）
  • 子网(subnet)
  • 子网掩码(network mask)
  • 无类别域间路由选择(CIDR, Classless Interdomain Routing)：因特网地址分配策略

IP地址分类

https://blog.csdn.net/liufangbaishi2014/article/details/51954437

IPv6变化

  • 扩大的地址容量：IPv6将IP地址长度从32位增加到128位，IPv6用8组16位来表示，4位数字用冒号分隔，比如2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329
  • 简化的首部：IPv6舍弃了许多原有的字段，使数据报能够更快更灵活的处理
  • 流标签和优先级

路由选择算法

p283-26

Step N’ D(t),p(t) D(u),p(u) D(v),p(v) D(w),p(w) D(y),p(y) D(z),p(z)
0 x ∞ ∞ 3,x 6,x 6,x 8,x
1 xv 7,v 6,v 3,x 6,x 6,x 8,x
2 xvu 7,v 6,v 3,x 6,x 6,x 8,x
3 xvuw 7,v 6,v 3,x 6,x 6,x 8,x
4 xvuwy 7,v 6,v 3,x 6,x 6,x 8,x
5 xvuwyt 7,v 6,v 3,x 6,x 6,x 8,x
6 xvuwytz 7,v 6,v 3,x 6,x 6,x 8,x

距离向量(Distance-Vector, DV)路由选择算法

p284-29

u v x y z
v ∞ ∞ ∞ ∞ ∞
x ∞ ∞ ∞ ∞ ∞
z ∞ 6 2 ∞ 0
u v x y z
v 1 0 3 ∞ 6
x ∞ 3 0 3 2
z 7 5 2 5 0
u v x y z
v 1 0 3 3 5
x 4 3 0 3 2
z 6 5 2 5 0
u v x y z
v 1 0 3 3 5
x 4 3 0 3 2
z 6 5 2 5 0

AS(Autonomous System)内部路由选择协议（内部网关协议）

路由选择信息协议(Routing Information Protocol, RIP)

  1. RIP是一种距离向量协议
  2. 跳：从源路由器到目的子网（包括目的子网！）的最短路径所经过的子网数量
  3. RIP响应报文/RIP通告
  4. 使用UDP报文段进行传输

开放最短路优先(Open Shortest Path First, OSPF)

核心：使用洪泛链路状态信息的链路状态协议，Dijkstra最低费用路径算法

优点：

  1. 安全：能够鉴别OSPF路由器之间的交换
  2. 允许使用多条路径
  3. 对单播和多播路由选择的综合支持
  4. 支持单个路由选择域内的层次结构

AS(Autonomous System)间的路由选择：BGP(Border Gateway Protocol, 边界网关协议)

基础

关键词：

  1. BGP对等方：位于TCP连接端点的两台路由器
  2. 外部BGP会话：跨越两个AS的BGP会话
  3. 内部BGP会话：在同一个AS中的两台路由器之间的BGP会话
  4. 通过179端口的半永久TCP连接来交换路由选择信息
  5. 使用CDIR化的前缀(prefix)表示子网或者子网的集合

路由属性和BGP路由

  1. 自治系统号(Autonomous System Number, ASN)：全局唯一标识一个自治系统
  2. 路由：带有BGP属性的前缀
  3. AS-PATH属性：包含前缀的通告已经通过的AS，用于检测和防止循环通告
  4. NEXT-HOP属性：是一开始某AS-PATH的路由器接口，用于正确配置转发表&TODO；

BGP路由选择

根据一定的规则从多条路由中选择出一条，P266

路由选择策略

防止客户网络承担提供商网络之间的流量

防止主干提供商出现免费搭车的现象

广播路由选择算法

N次单播

无控制洪泛

缺陷：广播风暴

受控洪泛

序号控制洪泛(sequence-number-controlled flooding)

每个节点维护一个序号列表，在接收广播分组时先检查分组是否在列表中，如果在就丢弃该分组。

反向路径转发(Reverse Path Forwarding, RPF)

仅当分组到达的链路正好位于自己返回源的最短单播路径上

生成树广播

最小生成树：所有生成树中费用最小的生成树

节点不必知道整棵树，只需要知道哪些邻居是它在生成树中的邻居

基于中心的方法：节点向中心节点单播加入树报文

多播

问题

  1. 如何标识多播分组的接收方
  2. 如何为接收方的分组编址

因特网组管理协议(IGMP)

  1. 承载在IP数据报中，协议号为2
  2. membership_query, membership_report, leave_group

多播路由选择算法

使用一棵组共享树的多播路由选择

使用基于中心的方法构造多播路由选择树，与对应多播组相关的路由器才经过单播发送加入报文

使用一棵基于源的树的多播路由选择

使用RPF算法+剪枝

因特网中的多播路由选择

  1. 距离向量多播路由选择协议(Distance Vector Multicast Routing Protocol, DVMRP)：反向路径转发+剪枝

  2. 协议无关的多播(Protocol Independent Multicast, PIM)路由选择协议:

    稠密模式：洪泛与剪枝反向路径转发技术，类似DVMRP

    稀疏模式：聚集点建立多播分发树

  3. 源特定多播(Source-Specific Multicast, SSM)：发送给多播接收方的分组必须来自一个指定的源地址，限制了来源从而减少网络要求，提高了安全性

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