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计算机网络复习-第四章

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《Computer Networking - A Top-Down Approach》第四章4.1-4.3复习知识点总结

第四章主要是讲网络层，也就是IP协议。

4.1 网络层概览

4.1.1 转发和路由

转发和路由很相近，但是是两个不同的服务，都由网络层进行支持。

  • 转发。转发是指，一个IP包到达路由器，路由器决定要将这个包从哪一个接口再度发出去，以便该接口到达目的IP地址。这是一个路由器本地的操作。
  • 路由。路由是指，在整个网络范围内，决定好从一个源地址到目的地址的路线。这是一个全网的操作，通常耗时更长。

对于路由器来说，转发表是最重要的数据结构。

转发就是靠从IP包中找出几个域，而后从转发表中索引出目的IP地址对应的发出接口。

路由则是用来决定转发表中的值的。

4.1.2 网络层服务模型

网络层服务模型为：最大努力模型，也就是没有任何保证的模型。

4.2 路由器里有什么

路由器里有四个重要的组成部分：

  1. 输入端口。输入端口有如下作用：
    1. 终止物理连接，使得物理链路上传输的bit流进入路由器
    2. 进行链路层包解析，提取出网络层包
    3. 根据网络层的包结构进行转发，如果是控制消息包，比如路由协议的包，就转发给路由处理器，如果是数据包，就查询转发表并发到对应的输出端口上
  2. 输出端口，向外传输数据
  3. Switching Fabric 连接输入端口和输出端口/路由处理器
  4. 路由处理器，使用相应的路由协议，路由算法，维护转发表，接受路由协议消息或向外发送路由协议消息。

其中，前三个部分一般以硬件实现(因为软件处理速度跟不上链路上包到达的速度，纳秒级的到达速度)，路由处理器一般由软件实现，对处理速度要求不高，因为路由协议的处理一般是毫秒或秒级的。

由于需要转发，转发之前就一定要根据到达的IP包中的信息进行处理，决定输出端口，而一般情况下有这两种决定方式：

  1. 基于目的地的转发。通过检查IP包的目的IP地址，决定对应的输出端口。
  2. 一般化转发。一般化转发的思想是检查IP包的任意的信息，而后决定对应的输出端口。当然，对于每个IP包检查的信息是一致的，只不过不局限于目的IP地址而已。

4.2.1 输入端口处理和基于目的地的转发

输入端口有如下作用：

  1. 终止物理连接，使得物理链路上传输的bit流进入路由器
  2. 进行链路层包解析，提取出网络层包
  3. 根据网络层的包结构进行转发，如果是控制消息包，比如路由协议的包，就转发给路由处理器，如果是数据包，就查询转发表并发到对应的输出端口上

而对于基于目的地的转发，查询转发表的方式就是最长前缀匹配：

对于一个目的IP地址A，转发表中有许多<字符串,端口号>对，将A与这些字符串进行匹配，匹配时仅仅使用A的前缀进行匹配，在所有匹配的字符串中，寻找最长的字符串，其对应的端口号就是输出端口号。

4.2.2 交换(Switching)

交换是指Switching Fabric将来自输入端口的IP包转交给输出端口的过程。

常见的交换方式有如下几种：

  • 基于主存的交换
    • 输入端口将到达的IP包写入主存，而后再从主存中读到输出端口上完成转发
  • 基于总线的交换
    • 输入端口给到达的IP包打上标签，发送到总线上，只有对应标签的输出端口会接受这个IP包
  • 基于交叉网络的交换
    • 多个端口对应多个总线的交叉网络

4.2.3 输出端口处理

输出端口需要取出从输入端口转发来的IP包，进行链路层封装后，转发出去。

4.2.4 排队情境会在哪里出现

输入排队：如果Switching Fabric转发的速度比所有输入端口的IP包到达的速度要慢的话，就会在输入端口出现排队现象。

同时，排队时会出现行首阻塞(head of line blocking)的现象，也就是说对于一个输入端口上的队列，如果队首的包被阻塞，那么根据先进先出原则，即便后面的包所对应的输出端口没有被占用，也必须等待队首先被取出才行。这会极大降低转发效率。

输出排队：如果Switching Fabric转发的速度比输出端口的处理速度还要快的话，就会在输出端口出现排队现象。

4.2.5 Packet Scheduling 包调度

包调度是指在一个输出端口的缓冲区上决定下面转发哪一个包。

先进先出调度：简单，就是先到达的包先调度处理

优先级调度排队：在包到达时，会先将包分类，不同的类有不同的优先级，也有自己的队列，取包时先从高优先级的队列中取。相同队列中的包一般以先进先出的方式处理。

优先级调度通常用在比如：

  • 网络控制包(比如路由协议包) 优先于 用户数据包
  • 实时性数据包(比如实时视频会议数据) 优先于 普通数据(比如电子邮件)

轮询和权值轮询：在包到达时，先将包分类，不同的类有自己的队列，每次取包时，轮流从不同的队列中取。我们也可以为每个队列加上权值，权值高的每次多取几个包再转移到下一个队列中去取包。

4.3 IP协议，IP地址，IPv4，IPv6

4.3.1 IPv4包格式

IPv4包头有如下的域：

  • 版本号。IPv4或者IPv6
  • 包头长度。由于IPv4包头有可选的域，于是需要说明一下包头长度
  • 服务类型(Type of Service)。可以将比如实时性数据包和非实时性数据包区分开来。如何设置由路由器管理者决定。
  • 包长度。
  • Identifier, flags, fragmentation offset.这三者用来处理IP包的分段
  • Time-to-live. 这个域用于确保IP包不会在网络中永久循环传播，每次经过一跳，就会减一，直到成为0，路由器就会直接丢弃该IP包。
  • 上层协议。一般IP包到达目的地，才会通过这个域决定IP包中的数据交给哪个上层协议。类似于传输层的端口号决定传给哪个应用进程。
  • 包头校验和。用于错误检查。注意，每一跳上，由于Time-to-live会改变，所以校验和也必须重新计算。
  • 源IP地址，目的IP地址
  • 可选项

4.3.2 IPv4包分段

由于链路层对于最大可传送的链路层包大小有限制，所以一个IP包未必能完整的组成一个整包进行发送，就需要用到IPv4包分段。

包分段主要涉及到包头Identifier, flags, fragmentation offset三个域：

  • identifier 用于标示所在的原始包，也就是说，拥有相同identifier的片段是属于相同的原始IP包的
  • flags 包括两个flag
    • 一个用于标示是否允许IP协议进行分段
    • 另一个用于标示该分段是否是最后一段，0表示最后一段，1表示不是最后一段
  • fragmentation offset用于表示该分段的数据在原数据中的偏移，以八字节为单位
    • 比如fragmentation offset是20，就说明这个片段里的第一个字节的数据已经是原数据里第161字节的数据了，前面有160个字节的数据在别的分段里

4.3.3 IPv4地址

IPv4地址为32位的二进制数。

一般情况下，IPv4被表示为a.b.c.d的形式，其中，a,b,c,d是IPv4地址中第1,2,3,4个字节的十进制表示。

由于因特网被分成了各个不同的子网，所以对于每一个IPv4地址，都可以将它分为两部分，第一部分是网络地址部分，代表了该IP地址所在的网络，第二部分是主机地址部分，代表了IP地址在网络中的标识符。

现在的网络-主机地址划分方法为CIDR(Classless Interdomain Routing)，也就是以32位地址的前x位作为网络地址，剩下的32-x位是主机地址，记作a.b.c.d/x。

特殊的IP地址：255.255.255.255，该地址为特定的广播地址，只要向该地址发送IP包，路由器会自动将包发送到当前子网下的所有主机上，甚至有可能发送到子网外的主机上。

获取子网IP地址

想要获取子网的IP地址，必须向上一级的IP地址管理者发出申请并由上一级进行分配。

获取主机IP地址

主机的IP地址可以手动分配，也可以使用DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)进行分配。

DHCP

想要DHCP正常工作，子网内必须有一个DHCP服务器，当一个新到来的主机想要获得IP地址时，过程如下：

  1. 主机尝试发现DHCP服务器。
    1. 由于新来的主机既不清楚自己的IP地址，也不清楚DHCP服务器的IP地址，所以主机以0.0.0.0的源IP地址向广播端口255.255.255.255发送一条探测消息，固定端口号为67
    2. 在这条消息里会包含一个事务ID
  2. DHCP服务器给出IP地址。
    1. 同样，由于DHCP服务器暂时无法确定主机的IP地址，它需要向255.255.255.255发送消息。
    2. 这条消息里包含了提供的IP地址，该地址的有效时间，自身DHCP服务器的IP地址，主机传来的事务ID。
  3. DHCP Request。
    1. 新来的主机可能会从多个DHCP服务器中获得提供的IP地址，它需要选择一个，然后发送DHCP Request Message，此时还不确定能不能真的拿到该IP，所以仍然需要0.0.0.0到255.255.255.255发送Request
    2. 这个Request消息里会包含被选中的IP地址，那么对应的服务器就知道新来的主机选择了自己提供的IP
  4. DHCP ACK。
    1. DHCP服务器接收到新来主机的Request Message之后，发出DHCP ACK，确认已经配置好了。此时仍然需要向255.255.255.255发送ACK。

4.3.4 Network Address Translation(NAT)

在IP地址中，有一类地址被保留下来作为私有地址，10.0.0.0/8就是其中一类。

所谓私有地址就是指该地址只在当前所在的子网中有意义，一旦考虑外部网络，该地址就没有意义。

那么当私有地址的主机尝试和外界通讯时，需要将私有地址转化为公开地址，这就是NAT的作用。

NAT通过如下几点来进行私有地址到公开地址的转化：

  1. NAT由一个路由器来进行操作
  2. NAT路由器拥有一个公开的IP地址，假设为X
  3. NAT路由器中维护了一张<端口号, <私有IP，端口号>>的表，也就是说子网中的<私有IP地址, 端口号>对应到了<统一的公开IP地址, 端口号>上
  4. 当子网内的主机尝试向外发送包，源地址就从<私有IP地址, 端口号>被NAT转化为<统一的公开IP地址, 端口号>，同样，当外部网络发送包到NAT时，NAT将目的地址转化为<私有IP地址, 端口号>而后发给对应主机。

NAT的使用备受争议：

  1. NAT打破了因特网中的分层原则，同时使用传输层和网络层来修改地址和端口号。
  2. NAT将许多主机隐藏在了一个路由器后面，将原本用于定位应用进程的端口号用于定位主机，那么有一些专用的端口号比如服务器的80端口就会受到影响(事实上很少将服务器放置在NAT后面)

4.3.5 IPv6

由于32位IPv4地址会被用尽，所以新的IPv6进入了开发阶段，虽然距离IPv4地址真正用尽还有一定的时间，但是想要部署IPv6，也同样需要大量的时间。

相比于IPv4，IPv6有如下特性：

  1. 扩展的地址空间。
    1. IPv6地址为128位地址
    2. IPv6地址除了支持IPv4中的单播，广播，还支持组播(即向固定的一组IP地址进行发包)
  2. 定长的40字节包头
    1. 除去了IPv4包头里的可选项
    2. 定长包头更加易于处理，路由更快
  3. 流标签
    1. 类似于IPv4中的Type of Service，IPv6使用流来区别不同的包
    2. 流标签用来区别不同的流

IPv6 包头格式

IPv6包头中包含了：

  • 版本(IPv4 or IPv6)
  • 等级(Traffic Class)，用于给包赋予优先级，可以是根据流来赋予，也可以根据源应用来赋予
  • 流标签(Flow Label)，用于标示一个流
  • 负载长度(Payload Length)，由于包头定长，所以只记录了携带数据的长度
  • 下一包头(Next Header)，也就是类似于IPv4中的协议，用于标示上一层使用的协议(TCP,UDP, etc.)，或者指向可选项
  • 跳限制(Hop Limit)，类似于IPv4中的Time-to-live，减小到零，直接丢弃
  • 源地址和目的地址

可以从IPv6的包头中看到，有一部分功能被删除了：

  • 分片/重组
    • IPv6的IP包如果由于过大不能在链路层上传输，路由器会返回一个Packet too big的ICMP消息，而不是像IPv4一样进行分片
    • 如果要分片，就是在收到ICMP消息后在终端主机上进行分片
    • 加快了路由的速度
  • 校验和
    • 由于传输层和链路层都有校验机制，所以在网络层就不再设置校验机制
    • 加快了路由速度
  • 可选项
    • 使用Next Header进行指向而不是放在包头内
    • 定长的包头，更易处理

IPv4到IPv6

如果想要从IPv4转变到IPv6，我们新建的IPv6路由器可以兼容IPv4的IP包路由，但是以往的IPv4路由器想要兼容IPv6就会比较困难。

我们可以使用隧道(tunneling)的方式解决这个问题。

也就是说，将两个IPv6的路由/主机之间的IPv4路由视作链路层协议而不是同等的网络层协议，当需要发送IPv6包时，将其包裹在一个IPv4包中发出，到达终点后解开IPv4包，提取出IPv6包。