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1.网络层概念&前置知识

源主机当中，网络层取得运输层（自顶向下第二层）的报文段封装成数据报，向相邻路由器发送，最后到目的主机，网络层提取出报文段交给运输层。

网络层与传输层服务：

• 网络层：在两台主机之间（如果是VC，也可能涉及干预路由器）
• 传输层：在两个进程之间

网络层的两个关键功能：

• 转发（forwarding）：数据报从路由器的输入链路转发到输出链路
• 路由选择（routing）：确定数据包从源到目的采用的路径

网络层可以分解为两个平面：

• 数据平面：每台路由器功能，主要是转发
• 控制平面：网络范围的逻辑，主要是routing

某些网络架构中的第三个重要功能： Asynchronous Transfer Mode（ATM）ATM网络_百度百科, frame relay帧中继_百度百科 (baidu.com)
在数据报流动之前，两个终端主机和干预路由器建立虚拟连接

网络服务模型：
提供的服务：

• 单个数据报：确保交付、具有时延上界的确保交付
• 数据报流：有序数据报（分组）交付、确保最小带宽、安全性

网络层两种传输方式：

• 数据报（datagram）网络提供网络层无连接服务
• 虚拟电路（VC）网络提供网络层连接服务，类似于传输服务，但：
  • service: host-to-host端到端
  • no choice：网络提供一个或另一个，但不是两者兼而有之
  • implementation: in network core

1.1 Virtual circuits 虚电路

虚电路_百度百科 (baidu.com)

一个VC包含了：

• 从源到目标的路径
• VC 编号，路径上每个链路对应一个编号
• 沿路径的路由器中的转发表中的条目

属于 VC 的数据包携带 VC 编号（而不是 dest 地址）。
可以更改每个链路上的 VC 编号，新的VC编号来自转发表

VC的应用：用于设置、维护拆解VC， 用于 ATM、帧中继、X.25，但是在当今的互联网中未使用

实现：

• 呼叫设置，在数据流动之前对每个呼叫进行拆解
• 每个数据包都携带 VC 标识符（不是目标主机地址）
• 源-dest 路径上的每个路由器都为每个通过的连接维护“状态”
• 链路、路由器资源（带宽、缓冲区）可以分配给 VC（专用资源 = 可预测的服务）

ATM Asynchronous Transfer Mode 的要求（为什么需要VC传输）：

• 严格的时序、可靠性要求
• 需要有保障的服务
• “哑”端系统
• 电话
• 网络内部的复杂性

1.2 Datagram networks 数据报网络

在网络层没有呼叫设置

路由器：

• 没有关于端到端连接的状态
• 没有网络级的“连接”概念
• 使用目标主机地址转发的数据包
• 同一source-dest 对之间的数据包可能采用不同的路径

最长前缀匹配原则 Longest prefix matching 在转发表当中优先匹配较长的前缀

互联网的要求（为什么使用数据报传输）

• 计算机之间的数据交换没有严格的时序要求。
• “智能”终端系统（计算机）可以自适应，执行控制，错误恢复
• 内部网络简单，“边缘”的复杂性
• 多种链接类型、不同的特性，因此统一服务难

2.路由器工作原理

路由器的层次为网络层、链路层、物理层

路由器的两个关键功能：

• 路由选择routing。运行路由算法/协议（RIP、OSPF、BGP）
• 转发forwarding。将数据报从传入链路转发到传出链路

2.1 交换结构

三种交换方式：

• 经内存交换
  • 在 CPU 直接控制下进行切换的传统计算机
  • 数据包复制到系统内存
  • 速度受内存带宽限制（每个数据报 2 次总线交叉）
• 经总线交换
  • 通过共享总线输出端口内存
  • 总线争用：一次只有一个分组通过总线，切换速度受总线带宽限制
• 经互联网络交换：
  • 克服总线带宽限制，2n条总线连接n个输入端口，n个输出端口
  • 交叉点通过交换结构控制器控制

2.2 输入端口

输入端口结构

• 其中线路端接属于物理层，处理bit级输入
• 数据链路处理（协议，拆封）：数据链路层 ethernet以太网
• 查找，转发，排队：输入端口内存中查找转发表

输入排队

交换结构交换速度慢于数据报到达输入端口速度，产生输入排队

Head-of-the-Line (HOL) blocking 线路前部阻塞：即使输出端口空闲，在输入端口中排队的分组也得等前面的分组

排队后果：延迟（delay）和损失（loss）

2.3 输出端口

输出端口结构同输入端口结构

当数据报从交换结构到达输出端口的速度快于传输速率时，需要缓冲，产生输出排队，有排队延迟（delay）

如果没有足够缓存，将会丢弃尾巴（drop-tail），造成loss，属于主动队列管理（Active QueueManagement，AQM）算法

N个流流经一条链路容量为C的链路所需buffer： $B=(RTT·C)/\sqrt(N)$

packet schduler（分组调度）在排队的数据报中进行选择以进行传输

3.IP（网际协议）

3.1 IP数据报结构

英文版对照：

ip数据报格式解析查看IP数据报_bug掌柜的博客-CSDN博客_ip数据报

3.2 IP分片

• 网络链路具有 MTU（最大传输单元）
• 因此IP数据报在网络内分片，一个数据报变成多个数据报
• 在最终目的地“重新组装”
• IP header用于识别、排序相关片段

注意偏移量的计算，记得还有20bytes的IP数据报头

3.3 Subnets 子网

IP地址分为子网部分（高阶位） 主机部分（低位）

什么是子网？

• 可以在没有路由器干预的情况下物理地相互联系
• 具有相同 IP 地址子网部分的设备接口

要确定子网，请将每个接口与其主机或路由器分离，从而创建隔离网络的孤岛。每个隔离的网络称为子网。

CIDR（Classless InterDomain Routing）：无类域间路由
任意长度地址的子网部分 地址格式：a.b.c.d/x，其中 x 表示地址子网部分中的x位

Routing with subnetting

当路由器收到带有 D （142.10.2.10） 的 IP 数据报时：

• 没有子网划分（subnetting），142.10 是网络 ID，2.10 是主机 ID。
• 使用子网划分时，142.10 是网络 ID，2 是子网 ID，10 是主机 ID。
• 分层寻址（带子网划分）允许路由信息的高效播发。

问：网络如何获取 IP 地址的子网部分？
答：获取其提供商 ISP 地址空间的已分配部分

问：ISP 如何获取地址块？
答：ICANN：Internet Corporation for Assigned Names and Numbers 负责分配地址 管理域名解析 分配域名，解决争议

问：主机如何获取 IP 地址？
答：由系统管理员在文件中硬编码或者 DHCP（动态主机配置协议）

DHCP（动态主机配置协议）

DHCP 概述：客户端-服务器协议

• 主机广播“DHCP discover”消息
• DHCP 服务器响应“DHCP offer”消息
• 主机请求 IP 地址：“DHCP request”消息
• DHCP 服务器发送地址：“DHCP ack” msg

3.4 NAT: Network Address Translation（网络地址转换）

对外部来说，本地网络仅使用一个IP地址：

• 可以在不通知外界的情况下更改本地网络中设备的地址
• 可以在不更改本地网络中设备地址的情况下更改ISP
• 本地网络内的设备不能明确寻址，外部世界可以看到（增加安全性）。

但在NAT路由上面，内网的每个主机不同进程会映射到不同的端口号

• 传出数据报：将每个传出数据报的（源 IP 地址、端口号）替换为（NAT IP 地址、新端口号），远程客户端/服务器将使用（NAT IP 地址，新端口 #）作为目标地址进行响应。
• 在 NAT 转换表中记住每个（源 IP 地址、端口号）到（NAT IP 地址、新端口 #）的转换对
• 传入数据报：将每个传入数据报的 dest 字段中的（NAT IP 地址、新端口 #）替换为存储在 NAT 表中的相应（源 IP 地址、端口 #）

路由器WAN（Wide Area Network），LAN（Local Area Network），路由转发表如图

NAT traversal problem

背景：客户端想要连接到地址为 10.0.0.1 的服务器，客户端不能将 10.0.0.1用作目标地址。

• 解决方案 1：静态配置 NAT 以将给定端口的传入连接请求转发到服务器（固定的映射） 例如，（123.76.29.7，端口 2500）始终转发到 10.0.0.1 端口 25000

• 解决方案 2：通用即插即用Universal Plug and Play （UPnP） 互联网网关设备Internet Gateway Device （IGD） 协议。
  实现：允许 NAT 的主机： 学习公共 IP 地址 （138.76.29.7） 枚举现有端口映射 添加/删除端口映射（带租用时间） 即，自动执行静态 NAT 端口映射配置

• 解决方案 3：中继relaying（在 Skype 中使用） NATed 服务器建立与中继的连接 外部客户端连接到中继 中继将数据包桥接到连接之间

3.5 ICMP:Internet Control Message Protocol

主机和路由器用于传达网络层信息的协议

• 错误报告：无法访问的主机、网络、端口、协议 回显请求/回复（由 ping 使用）
• 网络层“高于”IP： IP 数据报中携带的 ICMP 消息
• ICMP 消息（ICMP message）：类型type、代码code加上导致错误的 IP 数据报的前 8 个字节

实现：

• 源将一系列 UDP 段发送到 dest 首先有 TTL =1 第二个有TTL=2，依此类推。
• 当第 n 个数据报到达第 n 个路由器时： 路由器丢弃数据报 并发送到源 ICMP 消息（类型 11，代码 0，TTL已过期expired），消息包括路由器的名称和IP地址
• 当 ICMP 消息到达时，源计算 RTT Traceroute，执行此操作 3 次
• 停止标准（criterion） ：UDP 段最终到达目标主机 目标返回 ICMP“主机无法访问”数据包（类型 3，代码 3） 当源获得此 ICMP 时，停止。

3.6 ipv6

动机：

• 32位地址空间即将完全分配。
• 标头格式有助于加快处理/转发速度
• 标头更改以方便 QoS（Quality of Service，服务质量qos_百度百科 (baidu.com)）

IPv6 数据报格式： 固定长度 40 字节首部，不允许分片(fragmentation)

• 优先级Priority：确定流中数据报的优先级
• 流标签flow header：标识同一“flow”中的数据报。（flow没有明确定义）。
• 下一个标头next header：标识数据的上层协议

• 校验和checksum：完全删除以减少每个跃点的处理时间
• 可选字段option：可以有，但是在header字段之外，由“next header”字段指示
• ICMPv6：ICMP 的新版本 其他消息类型，例如“大数据包” 组播组管理功能

ipv4到ipv6的迁移——Tunneling 建隧道

两台IPV6路由器之间的IPV4路由器集合称作tunnel隧道

封装ipv6报文成为ipv4报文在ipv4路由器间传输

4.Routing Algorithm

4.1 Outline概述

• 静态 static
• 动态 dynamic 路线更改更快，定期（periodic）更新，响应连接开销变化
• 集中式 centralized/global
  • 所有路由器都有完整的拓扑结构和链路成本信息
  • Link State 链路状态 —— OSPF
• 分布式 decentralized
  • distance vector 距离向量 —— RIP
  • 路由器知道物理连接的邻居，到邻居的链路成本
  • 迭代计算过程，与邻居交换信息
• 外网 external
  • eBGF
• 内网 internal

  • iBGF

4.2 Graph abstraction

抽象为带权无向图 记住邻居 neighbor（物理连接) / 邻接 adjacent间的区别

4.3 link state

本质上就是迪杰克斯拉算法，寻找一个点到所有点的最短路径

算法复杂度：n个节点
每次迭代：需要检查所有节点，w，而不是N
$n（n+1）/2$次比较： $O（n^2）$ 可实现更高效的实现：$O（nlogn）$

局限性：需要实现知道所有链接的开销

4.4 Distance Vector

Bellman-Ford Equation (dynamic programming动态规划)

$d_x（y）:=$ 表示从 x 到 y 的最短路径的cost
动态规划状态转移方程：$d_x(y) = min_v \{c(x,v) + d_v(y) \}$
解释：x到y的最短路径，相当于遍历x相邻边v的最短然后加上v到y的最短

basic idea： 每个节点定期向邻居发送自己的距离矢量估计值，当节点 x 从邻居处接收到新的 DV 估计值时，它会使用 B-F 方程更新自己的 DV：

迭代，异步 Iterative, asynchronous：

• 每个本地迭代由以下原因引起： 本地链路成本更改 来自邻居的 DV 更新消息
• 分布式： 每个节点仅在其 DV 更改时才通知邻居，如有必要，邻居会通知它的其他邻居
• wait->recompute->notify
  • 节点检测本地链路成本变化
  • 更新路由信息，重新计算距离矢量
  • 如果 DV 更改，通知邻居（算出来没更改就不用通知）

举例：不会往回找，而且最后找到$d_z(z) = 0$

问题：链路开销改变
某一链路开销变大时，由于路由的最低开销仍没有改变，更新时可能发生更新需要多次迭代的无穷计数（count-to-infinity）问题

解决方法：Poisoned reverse 毒性逆转
例子：
准备：x与y之间开销变大，而z先前通过y到x，这时z欺骗y说$d_z(x) = infinity$是无限的，因此让y去更新$d_y(x) = 60$ 而不会尝试通过z到x ，从而使y能够把y与x的直接开销变成60这个消息告诉z

• t0时刻，x与y间直接链路开销变成60，y通知z开销改变，但是由于前面z欺骗y $d_z(x) = infinity$，因此这时候y还不会尝试通过z到x
• t1时刻，z得知开销改变，马上切到$d_z(x) = 50$
• t2时刻，z通知y $d_z(x) = 50$ ，y再更新$d_y(x) = 51$
• t3时刻，因为z在y到x的最小路径上，因此欺骗z说$d_y(x) = infinity$毒化从z到x的逆向路径

算法对比：

• 报文复杂性（Message complexity）和收敛速度（Speed of Convergence）
  • LS：收敛速度为$O（n^2）$， 算法需要$O（nE）$ 消息 ，可能有振荡
  • DV：收敛时间各不相同 可能产生路由环路 无穷计数问题
• 健壮性（Robustness）：如果路由器出现故障会发生什么情况？
  • LS： 节点可能会公布不正确的链接成本 每个节点仅计算自己的表
  • DV： DV 节点可能会公布不正确的路径成本 因为其他人使用的每个节点的表，错误会通过网络传播

DV应用：RIP ( Routing Information Protocol 路由信息协议)

实现路由之间的信息互通，是DV算法在实际中的使用载体

RIP advertisements（RIP通告）：用来向其他路由传达路由信息，比如路由表更改，挂载在使用UDP协议的IP数据报上

距离向量：通过 RIP 响应消息（也称为advertisement）每 30 秒在邻居之间交换一次

每个advertisement：AS内最多25个目标网络的列表

4.5 Hierarchical routing（autonomous systems自治系统）

将路由器聚合到区域，“自治系统autonomous systems”（AS） 解决的是规模问题和ISA需要管理自治问题 同一 AS 中的路由器运行相同的路由协议，称作自治系统内部路由选择协议intra-autonomous systems routing protocol 不同 AS 中的路由器可以运行不同的 AS 内部路由协议

自治系统内部协议-OSPF （Open Shortest Path First开放最短路优先）

open代表公众公开可用
使用Link State算法，通告类似于RIP，但传播到整个AS不仅仅是相邻的，且不需要UDP和TCP直接挂载IP上面

特点：

• 安全性：所有 OSPF 消息都经过身份验证（以防止恶意入侵）
• 允许多个相同成本的路径（RIP 中只有一个路径） 集成的单播和组播路由支持： 多播 OSPF （MOSPF） 使用与 - OSPF 相同的拓扑数据库
• 支持单个AS中的层次结构。

两级层次结构：局部（local）区域、骨干（backbone）。

• 仅在区域内显示链路状态通告，每个节点都有详细的区域拓扑;只知道其他区域网的方向（最短路径）。
• 区域边界路由器：“汇总”到自己区域中的网络的距离，通告到其他区域边界路由器。
• 主干路由器：运行仅限于主干网的 OSPF 路由。
• 边界路由器：连接到其他 AS。

自治系统间的路由协议-BGP（Border Gateway Protocol）

BGP 为每个 AS 提供了一种方法，用于：

• 从相邻的 AS 获取子网可达性信息。
• 将可访问性信息传播到所有 AS 内部路由器。
• 根据可访问性信息和策略确定到子网的“最好”路由。
• 允许子网向互联网的其余部分公布其存在：“我在这里”

成对的路由器（BGP 对等体）通过半永久性 TCP 连接交换路由信息：BGP 会话（BGP sessions），BGP 会话不需要与物理链路相对应。

当 AS2 向 AS1 播发前缀时： AS2 承诺会将任何地址数据报转发到该前缀，AS2 可以在其播发中聚合前缀

分发可访问性信息（Distributing reachability info）：

• 使用 3a 和 1c 之间的 eBGP 会话，AS3 会将前缀可达性信息发送到 AS1。
• 然后，1c可以使用iBGP将新的前缀信息分发到AS1中的所有路由器
• 然后，1b 可以在 1b 到 2a eBGP 会话中向 AS2 重新公布新的可达性信息
• 当路由器得知新的前缀时， 在其转发表中创建前缀条目。

播发前缀包括 BGP 属性。$前缀 + 属性 = “路由” prefix + attributes = “route”$

两个重要属性：

• AS-PATH：包含前缀通告已经过的 AS：例如，AS 67、AS 17
• NEXT-HOP：指示到下一跃点 AS 的特定内部 AS 路由器。（可能是从当前 AS 到下一跃点 AS 的多个链路）

当网关路由器收到路由通告时，使用导入策略（import policy）接受/拒绝。

BGP路由选择： 路由器可能会了解到某个前缀的路由超过 1 个。路由器必须选择路由。
消除规则：

• 路由被指派一个本地偏好（local preference）值（除了AS-PATH和NEXT-HOP）
• 本地偏好值相同，选最短 AS-PATH
• 最靠近的NEXT-HOP：烫手山芋路由
• BGP标识符

BGP messages： BGP messages使用TCP进行交换

• OPEN: 打开路由对的 TCP 连接并对发送方进行身份验证
• UPDATE: 公布新路径（或撤回旧路径）
• KEEPALIVE 在没有更新的情况下保持连接处于活动状态;也可 ACKs OPEN请求
• NOTIFICATION: 报告上一条消息中的错误;也用于关闭连接

跨AS和AS内策略区别：

• 策略：
  • AS 间：管理员希望控制其流量的路由方式，以及通过其网络路由的人员，策略很重要
  • AS 内部：单个管理员，因此无需策略决策
• 规模： 分层路由可节省表大小，减少更新流量，AS间关注可扩展性，AS内不那么重视
• 性能：
  • AS内部：可以专注于某条路由实现的性能，而不是整体
  • AS间：策略可能主导性能