Chapter4 网络层：数据平面¶
由于本人科研详做这方面，本章内容整理的较为“提纲挈领”，更多详细机制参见书本
1）引入¶
基础：¶
- 在网络中的每一台主机和路由器中都有一个网络层部分，它能被分为两个互相作用的部分：数据平面 + 控制平面
- 数据平面功能：决定到达路由器输入链路之一的数据报（即：网络层中的分组）如何转发到该路由器的输出链路之一
- 控制平面功能：控制数据报沿着从源主机到目的主机的端到端路径的路由器之间的路由方式
- 软件定义网络(Software-Defined Network , SDN)：将这些控制平面的功能作为一种单独服务，明确地分离数据平面和控制平面
概述：¶
（1）转发和路由选择¶
- 转发：当一个分组到达某路由器的一条输入链路时，该路由器必须将该分组移动到适当的输出链路【数据平面内的唯一功能】
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路由选择：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or路径，计算这些路径的算法被称为“路由选择算法”(routing algorithm)【在控制平面内实现】
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转发（forwarding）
是指：将一个分组从一个输入链路接口 转移到适当的输出链路接口 的==路由器本地操作==，耗时短，常采用硬件实现
- 路由选择（routing）
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，时间尺度长，常采用软件形式
- 每个网络路由器中都蕴含着一个关键元素：转发表(forwarding table)
路由器检查到达分组首部的一个或多个字段值，进而==使用这些首部值在其转发表中索引(raise ques: 转发表如何配置？详见下文！)==，这些值对应着存储在转发表项中的值，指出了该分组将被转发的路由器的输出链路接口
（2）控制平面【传统方法】¶
- 上文引出了问题：转发表一开始是如何配置的？
- Ans：路由选择算法决定了插入该路由器转发表的内容
- 路由选择算法运行在每台路由器中，并且在每台路由器中都包含转发 和路由选择 两种功能
- 一台路由器中的路由选择算法和其他路由器的路由选择算法形成“communication”，以计算出它的转发表的值
- 这种“communication”建立在：路由器根据路由选择协议 交换包括路由选择信息的路由选择报文
（3）控制平面【SDN方法】¶
- 软件定义网络——SDN
- 控制平面的路由选择功能与物理的路由器是分离的，即：路由选择设备仅执行转发，而远程控制器计算并分发转发表
- 远程控制器可能实现在具有高可靠性和冗余的远程数据中心中，并可能由ISP或第三方管理
- 路由器与远程控制器之间的通信：通过交换包含转发表和其他路由选择信息的报文
（4）网络服务模型(network service model)¶
- 定义了分组在发送和接收主机之间的端到端传输特性
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服务包含：
[1] 确保交付 [2] 具有时延上限的确保交付 [3] 有序分组支付 [4] 确保最小带宽 [5] 安全性
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互联网的网络层提供的是“尽力而为服务”(best-effort service)，上述服务不一定能有绝对的保障率，但是肯定会尽最大的力【虽然看上去很不靠谱，但是事实证明它已经“足够好”】
2）路由器工作原理¶
1. 输入端口：¶
- （1）：与位于入链路远端的数据链路层交互，来执行数据链路层的功能
- （2）：在输入端口执行查找 功能，在这里通过查询转发表决定路由器的输出端口，到达的分组通过路由器交换结构转发到对应的输出端口
- （3）：控制分组(eg：携带路由选择协议信息的分组)从输入端口转发到“路由选择处理器”，进入“控制平面”
2. 交换结构：¶
- 将路由器的输入端口连接到它的输出端口
- 某种意义上，它是网络路由器中的网络
3. 输出端口：¶
- 【1】存储从接收交换结构接收的分组
- 【2】通过执行必要的链路与物理层功能实现：在输出链路上传输这些分组
- ps：当一条链路是双向的（即：承载两个方向上的流量）时，输出端口与输入端口成对出现在同一线路卡上
4. 路由选择处理器：¶
- 执行控制平面的功能
- 在传统的路由器中：1. 执行路由选择协议；2. 维护路由信息表与关联链路状态信息；（3）为该路由器计算转发表
- 在SDN中：负责与远程控制器communicate，目的是接收由远程控制器计算的转发表项；并在输入端口安装这些表项
- 还会执行一些基本的“网络管理”功能
3）网际协议：IPv4、寻址、IPv6及其他¶
- [ ] IPv4的数据报格式：特别细节，此处略，详见原书
- [ ] IPv4编址：特别细节，此处略，详见原书
- [ ] 网络地址转换：网络地址转换机制(Network Address Translation，NAT)；NAT转换表
- [ ] IPv6的数据报格式：详见原书
- [ ] IPv4->IPv6的迁移过程：[1] “标志日”；[2] 建隧道(tunneling)机制：很神奇的“暗渡陈仓”机制🤣🤡
4）泛化转发与SDN¶
1. 之前介绍的路由器是基于目的地转发：¶
- step1：查找目的IP地址("匹配")
- step2：将分组发送到有特定输出端口的交换结构("操作")
2. 我们现在考虑“匹配+操作”的格式：¶
- 匹配与转发表called：流表（flow table）
- 流表：推广了之前提到的基于目的地的转发表的concept，由于转发策略可能使用网络层/链路层源地址与目标地址，因此此时的转发设备兼具了第二层“交换机”与第三层“路由器”的特性，我们今后统称它为“分组交换机”
- 每台分组交换机中有一张匹配与转发表(即：流表，flow table)，该表由远程控制器计算、安装、更新
3. 匹配：¶
key！¶
- 源和目的MAC地址是与帧的发送和接收接口相关联的链路层地址
- 通过基于以太网地址而不是IP地址进行转发
- 很显然：此设备等价于路由器(layer3 device)转发数据报 + 交换机(layer2 device)转发帧
general：¶
- 入端口是指分组交换机上接收分组的输入端口
- 流表项 也可以有通配符：例如一个流表中的地址为128.119.*，*将匹配其地址的前16bit为128.119的任何数据报所对应的地址字段；
- 每个流表项 也具有相应的优先权，如果一个分组匹配多个流表项，选定的匹配和对应的操作将是其中有最高优先权的那个
4. 操作：¶
每个流表项都有0个或多个操作列表，如有多个则按照在表中规定的次序执行
1）转发：对于一个入分组而言¶
[1] 转发到一个特定的物理输出端口 [2] 广播到所有端口 [3] 通过所选的端口集合进行多播 [4] 该分组可能被封装并发送到该设备的远程控制器，该控制器may(also may not)对分组采取某些操作
2）丢弃：¶
没有操作的流表项表明某个匹配的分组应当被丢弃(discard)
3）修改字段：¶
在分组被转发到所选的输出端口之前，分组首部10个字段中的值可以重写