网络层

概述

• 像运输层提供怎样的服务（可靠/不可靠传输）
• 网络层寻址问题
• 路由选择问题

网络层的两个层面

根据路由器之间传送的信息类型，将网络层抽象为数据层面和控制层面

数据层面

转发源主机和目的主机之间所传送的数据分组

• 独立完成
• 由于使用纯硬件转发，速度非常快，纳秒级别(10^-9秒)

控制层面

传送路由信息，完善路由表

• 各路由器间协同工作
• 使用软件转发，速度慢，为秒级别

由于控制层面的转发过于耗时，后人优化出了新的SDN网络体系结构

控制平面SDN方法

• 控制平面从路由器上物理分离
• 路由器仅实现转发，远程控制器计算和分发转发表。

将控制平面又细分为3个层面：

• 网络控制应用程序层的接口：负责与网络应用程序的通信
• 网络范围的状态管理层：获取全网的主机、链路、交换机以及其他受SDN控制的设备(在此层设计路由选择协议)
• 通信层：与数据层面通信

网络层提供的服务

面向连接—虚电路服务

可靠通信应有网络来保证

通信双方沿着已建立的虚电路发送分组

• 每个分组的首部只需携带一条虚电路的编号
• 在这个基础之上在使用可靠传输协议即可使分组正确抵达
• 通信结束后释放虚电路

广域交换网常用

无连接的数据报服务

可靠通信由用户主机保证

• 不需要建立网络层连接
• 每个分组可走不同的路径
• 首部必须携带目的主机的完整地址

因特网常用，将复杂的网络处理功能置于用户主机和其内部的运输层

IPv4地址概述

给因特网上每一台主机/路由器的每一个接口分配的全球唯一的32bit标识符

• 使用点分十进制表示方法，即32bit每8位一组转化为10进制每组用点号分割的形式
• 一般使用凑值法完成10进制转2进制

分类编址1981

按用途将地址分为ABCDE5类，32位bit被划分为两个部分，网络号与主机号

• 只有ABC类可以分配给网络中的主机或路由器各接口，
• 主机号全0的地址是网络地址，不能分配给主机或路由器的各接口
• 主机号全1的地址是广播地址，不能分配给主机或路由器的各接口

A类地址0

网络号占8位，最小的网络号0，最大的网络号127不指派（这是回环地址）

• 所以最多可分配126个网络，每个网路有2²⁴-2个IP

B类地址10

16位网络号，最小网络号128.0，网络地址128.0.0.0，最大网络号191.255，网络地址191.255.0.0（RFC6890开始可以被指派）

• 所以最多可分派2^16-2（16384）个网络，每个网络可分派2¹⁶-2（65534）个IP地址

C类地址110

24位网络号，最小网络号192.0.0，网络地址192.0.0.0，最大网络号223.255.255，网络地址223.255.255.0

• 所以可分配2^24-3个网络，每个网络IP数量2⁸-2（254）

根据第一个10进制数即可判别网络类型，小于127的为A类，128-191的为类，192-223的为C类

注意：路由器的各接口是需要被分配IP地址的！

D类(1110)为多播地址,E类(1111)为日后保留使用

划分子网1985

解决新增网络申请新网络号带来的问题：

• 其他路由的路由表记录数量上升
• 需要等待和花钱
• 浪费原有网络剩余的IP数量

子网掩码可以表明分类IP的主机号部分被借用了几个比特作为子网号

• 将IP地址分为网络号-子网号-主机号三部分，其中子网号为主机号借出的位。

  • 连续比特0为主机号，连续比特1为网络号和子网号

• 将子网掩码与IPv4地址进行逻辑与运算即可得到IPv4地址所在子网的网络地址

  • 每个子网都有2^主机号个IP地址

默认子网掩码

• 判断网络类型
• 网络号部分取全1，主机号部分取全0

无分类编址1993

使用CIDR记法，在IPv4地址后面加上斜线/，在斜线后面写上网络前缀所占的比特数量(网络号)

路由聚合（构造超网）：

• 聚合地址块：

  • 取共同前缀（转2进制形式），剩余地址取0，将共同前缀的位数以“/”形式添加到结果尾部，即得到聚合地址块

• 网络前缀越长，地址块越小，路由越具体；

• 查表：将目的地址与路由条目中的目的网络掩码按位与，结果若与条目中的目的网络匹配，则列入备选

• 若路由器查表转发分组时有多条路由可选，则选择网络前缀最长的那条，称为最长前缀匹配

CIDR可以进一步通过子网掩码来划分子网。

各种设备的域隔离性)

IP数据报发送和转发的流程

主机发送IP数据报

1. 判断目的主机是否与自己在同一个网络
   • 若在同一个网络，属于直接交付
   • 若不在同一个网络，属于间接交付，传输给主机所在网络的默认网关（路由器）

路由器转发IP数据报

1. 检查IP数据报首部是否出错

   • 若出错，则直接丢弃该IP数据报并通告源主机
   • 若没有，则进行转发

2. 根据IP数据报的目的地址在路由表中查找匹配的条目

   • 先将目的地址与路由表的地址掩码相与得到目的网络IP地址，

     1. 若找到匹配条目，转发给下一跳

     2. 若找不到，丢弃IP数据报并通告源主机

静态路由配置

人工配置的路由表，不能及时适应网络状态(流量、拓扑)的变化

• 开销小，适合在小规模网络使用

• 可能会出现路由环路的问题

默认路由0.0.0.0/0

对于具有相同下一跳的不同目的网络的路由条目，可以用0.0.0.0/0代替目的网络的位置，类型为静态

特定主机路由

目的网络写入对应目的主机的IP地址/32，其网络前缀最长，路由最具体

由“最长前缀匹配原则”，有多条路由可选时，选择最长前缀进行匹配转发

路由环路

1. 针对错误配置：

   • 为了防止IP数据报在路由环路中永远循环转发，IP数据报首部设有生存时间TTL

   • IP数据报进入路由器后,TTL字段值-1，若TTL值不等于0(先-1再判断)则转发，否则丢弃

2. 针对聚合了不存在的网络：

   • 配置黑洞路由，即将不存在的网络写入路由表中，配置下一条为null0

3. 针对故障网络

   • 将故障的网络地址写入路由表中，配置下一跳为null0
   • 故障网络恢复后路由表会自动弃用配置的黑洞路由，重写恢复后的路由条目

路由选择协议

动态路由选择

通过路由选择协议自动获取路由信息，适用于大规模网络(比如因特网)

因特网采用分层次的路由选择协议：

• 自治系统AS间的路由选择称为域间路由选择，使用外部网关(路由)协议EGP
• 自治系统AS内的路由选择称为域内路由选择，使用内部网关协议(路由)IGP

内部网关协议IGP

• 路由信息协议RIP：基于距离向量，
• 内部网关路由协议IGRP：基于距离向量
• 增强型内部网关路由协议EIGRP
• 开放式最短路径优先OSPF：基于链路状态，广泛使用
• 中间系统到中间系统IS-IS

外部网关协议EGP

• 边界网关协议BGP

路由器基本结构

• 路由表需要对网络拓扑变化的计算最优化
• 转发表的结构使查找过程最优化，由路由表得出

几个重要协议

路由信息协议RIP

RIP要求自治系统AS内的每一个路由器都要维护从它自己到AS内其他每一个网络的距离记录。称为距离向量D-V

• RIP使用跳数作为度量来衡量到达目的网络的距离

  • 路由器到直连网络的距离定义为1
  • 到非直连网络的距离定义为所经过的路由器数+1
  • 一条路径最多包含15个路由器，距离等于16时表示不可达，所以只适用于小型互联网

• RIP选择路径最短的路由，若有多条路径最短的路由，进行等价负载均衡

RIP三个要点：

• 仅与相邻路由器交换信息
• 交换自己的路由表(封装成含路由信息的RIP更新报文)
• 周期性交换

若干次交换和更新后，每个路由器都知晓了到达本AS内个网络的最短距离和下一跳地址，称为收敛

• 相同目的网络，相同下一跳，最新消息，更新

• 发现新的网络，添加

• 相同目的网络，不同下一跳，新路由优势，更新

• 相同目的网络，不同下一跳，距离相等，等价负载均衡

• 相同目的网络，不同下一跳，新路由劣势，不更新

坏消息传的慢：又称路由环路或距离无穷计数问题，这是距离向量算法的固有问题，可以减少但无法消灭。

使用UDP协议封装RIP报文，RIP是个应用层协议!

开放最短路径优先OSPF

为了克服RIP的缺点所提出，基于IP封装，是个网络层协议

最短路径优先SPF：Dijkstra提出的最短路径算法

• 基于链路状态，从算法保证了不会产生路由环路
• 不限制网络规模，收敛速度快
• 链路状态包含本路由器与那些路由器相邻，以及对应链路的代价

OSPF相邻路由器通过交互问候分组，建立维护邻居关系

• 问候分组封装在IP数据报，发往组播地址224.0.0.5；
• 发送周期10秒
• 40秒为收到邻居问候分组，则认为邻居路由器不可达

OSPF路由器会产生链路状态通告LSA，包含：

• 直连网络的链路状态信息
• 邻居路由器的链路状态信息

LSA封装于链路状态更新分组LSU中，使用洪泛法发送

OSPF路由器有链路状态数据库LSDB，用于存储LSA，通过发送LSU，最后路由器的LSDB将达到一致

OSPF有以下五种分组类型:

• 问候分组
• 数据库描述分组
• 链路状态请求分组
• 链路状态更新分组（30分钟周期转发）
• 链路状态确认分组

边界网关协议BGP

BGP基于TCP协议封装

BGP力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由(不产生路由环路)，而非最佳路由

• 每个自治系统的管理员要选择至少一个路由器作为该自治系统的BGP发言人

不同自治系统的BGP发言人要交换路由信息，首先建立TCP连接，端口号179

• 在TCP连接上交换BGP报文（封装于TCP报文段）建立BGP会话
• 利用BGP会话交换路由信息
• 使用TCP连接交换路由信息的两个BGP发言人，彼此称为对方的邻站/对等站

BGP-4的四种报文：

• OPEN：与另一个BGP发言人建立关系，初始化通信
• UPDATE：通告某一路由的信息，列出要撤销的多条路由
• KEEPALIVE：周期性证实邻站连通性
• NOTIFICATION：发送检测到的差错

IPv4数据报首部格式

• 填充字段：确保首部长度为4字节的整数倍，使用全0填充

• 总长度：首部+数据载荷，最大65535，以字节为单位

• 标识、标志、片偏移用于IP数据报分片

  • 标识用于分片后每个分片复制一遍原片标识，用于重组
  • 标志有3位，最低位MF为0时为无后续分片，1为有后续分片，中间位DF为0时允许分片。

• 生存时间TTL：每经过一次路由器该字段值被-1，首部检验和重新计算

• 协议：指明IP数据报数据部分使用什么协议封装

如果数据报总长度超过MTU(以太网规定1500字节)则需要分片

片偏移(必须为整数)的计算：

• 头一个分片偏移量为0
• 下一个分片的偏移量就是上一个分片数据载荷长度/8，若非整数，重新分配

IP数据报被封装在以太网帧的数据部分中

网际控制报文协议ICMP

提高交付成功几率，更有效转发IP数据报

主机、路由器使用ICMP发送差错报告报文、询问报文

ICMP差错报告报文

• 终点不可达
• 源点抑制：路由器/主机因拥塞丢弃数据报，向源点发送抑制报文
• 时间超过：收到目的IP地址非本身的IP数据报，生存字段值-1，结果为0，丢弃并向源点发送时间超过报文。
• 参数问题：路由器检测到数据报首部误码，丢弃数据报，向源点发送差错报告报文
• 改变路由(重定向)：将该报文发送给主机，让主机知晓下次数据报发送给另外的路由器

不能发送ICMP差错报告报文的情况：

• ICMP差错报告报告不再发送ICMP差错报告报文
• 第一个分片的数据报片后续所有分片都不发送
• 拥有多播地址的数据报
• 具有127.0.0.0/0.0.0.0地址的数据报

ICMP询问报文

1. 回送请求和回答：测试目的站是否可达以及相关状态
2. 时间戳请求和回答：该报文有一个32位的字段，写入的整数代表从1900.1.1日到当前时刻一共过去多少秒

ICMP应用

• 分组网间探测PING：

  • 测试主机或路由器间的连通性
  • 应用层直接使用网际层的ICMP，不经过运输层TCP/UDP
  • 使用回送请求和回答报文

• 跟踪路由：

  • 用于测试IP数据报从源主机到达目的主机要经过哪些路由器
  • 使用ICMP回送请求，TTL设为1(初始值)，这样第一个路由收到后，发送时间超过报文，丢弃该数据报，源主机继续发送回送请求，每一次TTL+1，直到到达目的主机发送ICMP回答报文，循环次数-1就是途径路由器

网络地址转换NAT

在路由器上安装NAT软件，且路由器上至少有一个有效外部全球IP地址

NAT软件的作用：

• 分配给专用网源主机一个临时全球IP地址
• 将真实源IP地址与临时地址记录到NAT转换表中

如果NAT路由器具有N个全球IP地址，则最多有N个内网主机同时访问外网

可以利用运输层的端口号和IP地址一起进行转换，这种技术叫做NAPT

移动IP

• 移动节点：具有永久IP地址的移动设备

• 归属代理(本地代理)：

  • 一个移动节点的永久“居所”称为归属网络
  • 在归属网络中代表移动节点执行移动管理功能的实体叫做归属代理

• 永久地址：移动站点在归属网络中的原始地址

• 外部代理：在外部网络中帮助移动节点完成移动管理功能的实体称为外部代理。

• 转交地址（辅地址）：可以是外部代理的地址或动态配置的一个地址