Quartz 4

Chapter 4

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CH 4

一、网络层概述

1. 位置【定义】

在五层模型中，自下而上是：

物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 传输层 → 应用层。

网络层位于链路层之上、传输层之下。

2. 数据单元【定义】

网络层的协议数据单元叫 IP 数据报（IP datagram）。

3. 网络层的两大功能【详细解释】

  1. 转发（forwarding）——数据平面功能

    • 对单个到达路由器输入端口的分组，
    • 查找其目的地址在 转发表 中的匹配项，
    • 决定从哪一个 输出端口 送出。
    • 作用范围：发生在 每台路由器内部、每一个分组 上。
    • 类比：十字路口的“当前车辆走哪条路”。

  2. 路由（routing）——控制平面功能

    • 负责计算整条端到端路径：给出“从某源网络到某目的网络应经过哪些路由器”。
    • 通过运行 路由协议（RIP、OSPF、BGP 等）维护路由表/转发表。
    • 作用范围：面向 网络拓扑和路由表的计算，时间尺度比转发长得多。
    • 类比：事先规划好“地图上的最优行车路线”。

总结：转发是微观、逐包；路由是宏观、算路径。

4. 控制平面的两种实现方式【详细解释】

  1. 每路由器控制（传统方式）

    • 每台路由器本地运行路由算法和协议，
    • 根据收到的路由报文独立计算路由表。
    • 优点：分布式、鲁棒性好；
    • 缺点：配置复杂，不利于集中管理。

  2. 逻辑集中控制（SDN 思想）

    • 网络中存在一个（或多个）集中控制器，
    • 由控制器运行路由算法，生成全网的转发表，
    • 再把转发表下发给各路由器（交换机）。
    • 各转发设备只负责 高速转发，不再本地跑复杂路由协议。

5. 网络服务模型【详细解释】

Internet 的网络层（IP 层）提供的是 尽力而为（best-effort）服务：

  • 无连接：不事先建立连接，数据报单独处理；
  • 不可靠：不保证一定送达；
  • 不保证时延、带宽、顺序；
  • 不做端到端重传和流量控制（这些由上层 TCP 完成）。

优点是实现简单、效率高，缺点是上层必须自己处理可靠性。

6. 数据报与虚电路【详细解释】

网络层的转发方式主要有两种：数据报（Datagram） 与 虚电路（Virtual Circuit, VC）。

① 数据报服务（无连接）

  • 不建立连接：每个分组独立转发。
  • 路由选择：分组头部携带 完整目的地址，路由器按转发表逐包查找下一跳。
  • 路由器状态：不保存端到端连接状态，转发表仅与目的前缀相关。
  • 时延与顺序：不同分组可能走不同路径，到达无序、时延波动。
  • 代表：Internet 的 IP 服务。

② 虚电路服务（面向连接）

  • 先建立连接：发送前需要 信令建立虚电路，并分配 VC 标识。
  • 转发方式：分组仅携带 VC 标识（如 VCI/Label），路由器按 VC 表快速转发。
  • 路由器状态：沿途路由器维护 VC 状态与映射表（入端口 + VC → 出端口 + 新 VC）。
  • 时延与顺序：通常走固定路径，更易保证有序交付，也便于资源预留与 QoS。
  • 代表：ATM、Frame Relay、MPLS（标签交换）等。

③ 对比总结

对比维度数据报虚电路
连接建立无需要建立与释放
分组头部目的地址VC 标识
路由器状态无连接状态维护 VC 状态
资源预留/QoS不支持或较弱更易支持
典型网络IP InternetATM/FR/MPLS

记忆：数据报像“寄信”，虚电路像“打电话”。

二、路由器结构

1. 路由器的基本组成【定义】

典型路由器由四部分组成：

  1. 输入端口
  2. 输出端口
  3. 交换结构
  4. 路由选择处理器（控制平面）

2. 输入端口的功能【详细解释】

  • 与链路相连，完成：

    1. 物理层信号接收、比特恢复；
    2. 数据链路层帧解封装、差错检测；
    3. 查找转发表，决定输出端口；
    4. 把分组送入 交换结构 或输入队列排队。

  • 输入端口常带有 缓存，在瞬时流量大时暂存分组，否则会产生输入队列拥塞与丢包。

3. 输出端口的功能【详细解释】

  • 从交换结构接收分组，完成：

    1. 放入输出队列等待发送；
    2. 根据 分组调度算法 选择下一个发送对象；
    3. 链路层封装为帧、物理层发送。

  • 输出队列过长会导致 排队时延增大、甚至丢包。

4. 交换结构的功能与三种结构【详细解释】

功能：在输入端口和输出端口之间进行 高速数据转移。

三种典型结构：

  1. 通过内存交换（memory switching）
  • 早期路由器：分组经输入端口写入共享内存，再由输出端口从内存读出；
    • 受限于内存读写速度，只适用于低速设备。

  1. 通过总线交换（bus switching）

    • 各端口通过一条共享总线连接；
    • 分组在总线上广播，由目的输出端口接收；
    • 受限于总线带宽，当端口多、速率高时容易成为瓶颈。

  2. 通过互联网络（crossbar 等）交换

  • 输入和输出端口通过交换矩阵互连，可同时进行多对多交换；
    • 扩展性好，适合高速核心路由器。

5. 路由选择处理器（路由协议）【详细解释】

  • 通常是一块控制板 / 主 CPU，执行：

    • 路由协议（RIP、OSPF、BGP 等），
    • 网络管理程序（SNMP），
    • 生成和更新转发表，并写入各输入端口的硬件转发引擎。

  • 它属于 控制平面，不直接处理每个数据报，而是定期更新路由信息。

三、分组调度（输出排队）

1. 分组调度的作用【定义】

当输出队列中有多个分组待发，而链路一次只能发送一个分组时，需要根据某种 调度算法 决定谁先发，以实现不同的公平性或优先级目标。

2. 典型调度算法【详细解释】

  1. 先到先出（FIFO）

    • 最简单：按照到达队列的先后顺序发送；
    • 不区分业务类型，可能导致时延敏感业务被长队阻塞。

  2. 优先权队列（Priority Queuing）

    • 根据分组优先级划分多个队列，高优先级队列先服务；
    • 适用于实时/控制报文优先于普通业务；
    • 若高优先级流量过多，会出现低优先级 “饿死” 问题。

  3. 循环（轮询）队列——Round Robin

    • 为每个队列轮流分配发送机会，例如依次从队列 1、2、3……取一个分组；
    • 能保证每个队列都有机会发送，避免饥饿，但无法区分带宽需求差异。

  4. 加权公平排队（Weighted Fair Queuing, WFQ）

    • 每个队列分配一个权重，按权重比例分享链路带宽；
    • 权重大 → 获得更高的平均带宽；
    • 兼顾 公平性和服务质量，是很多 QoS 机制的基础。

四、IPv4 协议

1. IPv4 报文格式【详细解释】

IPv4 头部关键字段：

  • 版本（Version）=4
  • 首部长度（IHL）
  • 区分服务/DSCP（Type of Service）
  • 总长度（Total Length）
  • 标识（Identification）、标志位（DF/MF）、片偏移（Fragment Offset）——用于分片
  • 生存时间 TTL（Time To Live）
  • 协议（Protocol）：指明上层是 TCP(6)/UDP(17) 等
  • 首部校验和（Header Checksum）
  • 源 IP 地址、目的 IP 地址
  • 选项与填充（Options）
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2. 分片【详细解释】

  • 当 IP 数据报长度 > 所经过链路的 MTU（最大传输单元） 时，需要进行 分片。
  • 分片可以在 发送主机或中间路由器 中进行；
  • 片段在目的主机 重装（中间路由器不再重组）。

利用字段：

  • 标识（ID）：同一原始数据报的所有片拥有相同 ID；
  • 片偏移：该片在原数据报中的相对位置（以 8 字节为单位）；
  • MF 标志：More Fragments，最后一片 MF=0，其余 MF=1。

3. IP 地址（表示与组成）【详细解释】

  • IPv4 地址长度为 32 位，通常用“点分十进制”表示，如 192.168.1.1。

  • 采用 无类别域间路由 CIDR 表示网络前缀：

    • a.b.c.d / n，前 n 位为网络前缀，其余为主机号。

组成：

  • 网络部分（网络前缀）：标识所在网络；
  • 主机部分：标识网络中的具体主机/接口。

4. 子网划分与子网掩码【详细解释】

子网划分：在一个网络前缀内部再划出多个更小的子网。

  • 子网掩码：32 位，与 IP 地址按位与可以得到 网络前缀部分。

    • 例如：255.255.255.0 对应 /24。

好处：

  • 更高效利用地址空间；
  • 便于组织和管理大型网络；
  • 路由聚合（减少路由表规模）。

5. 特殊 IP 地址【详细解释】

常见特殊地址（只需掌握主要几类即可）：

  • 网络地址：主机位全 0，如 192.168.1.0/24 表示整个子网。

  • 广播地址：主机位全 1，如 192.168.1.255。

  • 环回地址：127.0.0.1（localhost），用于本机测试。

  • 未指定地址：0.0.0.0，表示“本机但尚未获得具体地址”。

  • 私有地址（不能在公网路由）：

    • 10.0.0.0/8
    • 172.16.0.0/12
    • 192.168.0.0/16

6. CIDR 与路由聚合【详细解释】

① CIDR（无类别域间路由）

  • 核心思想：不再使用 A/B/C 类地址，而是用可变长度前缀 a.b.c.d/n 表示网络。
  • 前缀含义：n 表示网络前缀长度，主机位长度为 32 - n。
  • 地址块大小：一个 /n 前缀可表示 2^(32-n) 个地址。
  • 路由匹配规则：路由器采用 最长前缀匹配（Longest Prefix Match），前缀越长越具体。

例子：

  • 192.168.4.0/22 表示前缀长度 22，覆盖地址范围：
    • 192.168.4.0 ~ 192.168.7.255（共 1024 个地址）

② 路由聚合（Route Aggregation / Supernetting）

  • 定义：把多个连续的、更具体的网络前缀合并成一个更短的前缀对外发布。
  • 目的：减少路由表规模、降低路由器查找负担、提高可扩展性。
  • 条件：被聚合的网段必须 连续且高位前缀相同。

例子：

192.168.4.0/24
192.168.5.0/24
192.168.6.0/24
192.168.7.0/24

可聚合为：

192.168.4.0/22

说明：

  • 对外只发布一个 /22 前缀即可覆盖四个 /24；
  • 若某个更具体路由需要特殊处理，可同时发布该 更长前缀，路由器按最长前缀匹配优先选更具体路径。

7. ABCDE 类地址（有类别编址）【详细解释】

在 CIDR 普及之前，IPv4 使用 有类别编址，按地址最高位划分为 A/B/C/D/E 五类。 如今该方式已基本淘汰，但概念仍需了解。

类别地址范围默认前缀默认子网掩码用途
A0.0.0.0 ~ 127.255.255.255/8255.0.0.0大型网络（0 和 127 有特殊用途）
B128.0.0.0 ~ 191.255.255.255/16255.255.0.0中型网络
C192.0.0.0 ~ 223.255.255.255/24255.255.255.0小型网络
D224.0.0.0 ~ 239.255.255.255无无组播地址
E240.0.0.0 ~ 255.255.255.255无无保留/实验（含 255.255.255.255 广播）

补充说明：

  • Class A 中 0.0.0.0/8 表示“本网络”，127.0.0.0/8 为环回地址。
  • Class D 不分配给主机，专用于组播。
  • Class E 预留给实验用途，不用于常规分配。

五、DHCP 与 NAT

1. DHCP 的功能【定义】

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）用于 自动分配 IP 地址及相关网络参数（如网关、DNS、子网掩码）给局域网内主机，免去人工配置。

注意：本地 DNS是通过DHCP来获取的

2. DHCP 的工作原理【详细解释】

典型四步交互（广播为主）：

  1. DHCP Discover：主机上电后广播“有没有 DHCP 服务器？”
  2. DHCP Offer：服务器提供一个可用 IP 及租期等参数。
  3. DHCP Request：主机广播请求使用某个 Offer。
  4. DHCP ACK：服务器确认分配，主机正式使用该 IP；若失败则 NACK。

更细化解释（DORA 流程）：

  • Discover（发现）：

    • 客户端尚无 IP，使用 0.0.0.0:68 向 255.255.255.255:67 发送广播；
    • 报文中携带 MAC、事务 ID、参数请求列表（如子网掩码、网关、DNS）。

  • Offer（提供）：

    • DHCP 服务器从地址池挑选一个可用 IP，封装在 yiaddr 字段；
    • 附带 租期（lease time）、子网掩码、默认网关、DNS、服务器标识等选项；
    • 若跨网段，通常由 DHCP 中继（Relay） 转发到客户端。

  • Request（请求）：

    • 客户端从多个 Offer 中 选择一个，广播告知“我选了哪台服务器”；
    • 报文包含 Requested IP 与 Server Identifier，通知其他服务器撤销其 Offer。

  • ACK/NAK（确认/拒绝）：

    • ACK：服务器确认租约，客户端配置 IP，并常做 ARP 冲突检测；
    • NAK：服务器拒绝分配（如地址已被占用、租约失效），客户端需重新 Discover。

3. NAT 的功能【定义】

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）通过在报文中修改 IP 地址（及端口），使得多个内部主机可以 共享少量甚至一个公网 IP 地址访问 Internet。

4. NAT 的工作原理【详细解释】

  • 内网主机使用 私有地址（如 192.168.x.x）。

  • 出站时，NAT 路由器把报文中的：

    • 源私有 IP、源端口 → 映射 为 公网 IP 和某个端口，
    • 在 NAT 转换表中记录对应关系。

  • 入站时，根据外部报文的目的端口，在转换表中查找对应的内网主机并还原。

优点：

  • 缓解 IPv4 公网地址不足；
  • 隐藏内部结构，具有一定安全性。

缺点：

  • 破坏端到端连接理念，对某些需要“主动入站连接”的应用不友好（需打洞等技术）。

六、IPv6

1. IPv6 产生的动机（3 个方面）【详细解释】

  1. 地址空间严重不足
  • IPv4 只有约 4×10⁹ 个地址，已难以满足全球设备增长（手机、IoT）。
    • IPv6 使用 128 位地址，几乎“用不完”。
  1. 简化首部，提高转发效率
  • IPv4 头部字段多、分片复杂，需要路由器做校验和等操作；
    • IPv6 头部更简洁、字段固定，有利于硬件高速转发。
  1. 增强扩展性与对新业务的支持
  • 引入 扩展首部 与 流标签（Flow Label），便于实现 QoS、实时流服务；
    • 原生支持 安全机制（IPsec），更好地支持移动性、多播等。

2. IPv6 与 IPv4 的区别【详细解释】

  1. 地址长度与表示
  • IPv4：32 位，点分十进制；
  • IPv6：128 位，分为 8 组 16 进制数，用冒号分隔，如 2001:db8::1。

  1. 首部格式

    • IPv6 首部字段更少，长度固定 40 字节；
    • 去掉了首部校验和、分片相关字段；
    • 选项通过 扩展首部 实现，不再放在基本首部里。

  2. 分片机制

  • IPv4：中间路由器可对数据报进行分片；
  • IPv6：只允许 源主机 分片，路由器不再分片，简化处理。
  1. 安全与服务质量
  • IPv6 把 IPsec、流标签等作为标准特性，便于加密与 QoS；
    • IPv4 中则是可选扩展。
  1. 地址类型
  • IPv6 不再区分广播地址，使用 多播与任播；
    • 支持更丰富的地址类型（链路本地、站点本地等等）。

总结一句：IPv6 = 地址更长 + 头更简单 + 支持安全和 QoS 的新特性。

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