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第4章 网络层：数据平面 ​

4.1 网络层概述 (Network Layer Overview) ​

4.1.1 位置与职责 ​

  • 位置：位于传输层（L4）和链路层（L2）之间。
  • 核心职责：将分组从源主机 (Source Host) 一路传输到目的主机 (Destination Host)。
    • 区别：传输层负责“进程到进程”，网络层负责“主机到主机”。
  • 实现范围：网络层协议不仅运行在端系统（主机）中，还必须运行在网络核心的每一个路由器 (Router) 中。
  • 数据单元：网络层的协议数据单元 (PDU) 称为数据报 (Datagram)。

4.1.2 网络层的两大核心功能 ​

网络层通过两个平面的协同工作来实现其职责：

1. 转发 (Forwarding) —— 数据平面 (Data Plane) ​

  • 定义：当一个分组到达路由器的输入链路时，路由器将其移动到合适的输出链路。
  • 性质：本地 (Local)、微观动作。
  • 时间尺度：纳秒 (ns) 级，通常由硬件实现。
  • 关键部件：转发表 (Forwarding Table)。路由器根据分组首部的值（如目的 IP），查找转发表来决定输出端口。

2. 路由 (Routing) —— 控制平面 (Control Plane) ​

  • 定义：确定分组从源到目的地的路径 (Path)（即路由选择）。
  • 性质：全局 (Global)、宏观动作。
  • 时间尺度：秒 (s) 级，通常由软件实现。
  • 关键任务：计算并维护转发表。

4.1.3 控制平面的两种实现方式 ​

  1. 传统方法 (Per-router control)：
    • 分布式：路由算法运行在每台路由器中。
    • 路由器之间相互交互控制报文（如 OSPF, BGP），共同计算转发表。
  2. SDN (Software-Defined Networking)：
    • 集中式：路由算法运行在远程的逻辑集中控制器 (Remote Controller) 中。
    • 控制器计算好转发表后，通过南向接口（如 OpenFlow）下发给各路由器（此时路由器变得很“傻”，只负责转发）。

4.1.4 网络服务模型 (Service Model) ​

网络层可以提供多种服务，但 Internet 的网络层（IP 协议）只提供一种服务：

  • 尽力而为服务 (Best-Effort Service)：
    • 不保证交付（可能丢包）。
    • 不保证按序交付。
    • 不保证时延。
    • 不保证最小带宽。
  • 优点：机制简单，使得网络核心（路由器）极其精简、低成本、高性能，将复杂性（如可靠性）推给边缘（端系统）。这被证明是 Internet 成功的关键因素。
  • 对比：ATM 网络曾尝试提供保证带宽和时延的 CBR/VBR 服务，但因过于复杂而未成为主流。

4.2 虚电路与数据报网络 ​

网络层连接服务的两种基本模式：

4.2.1 虚电路网络 (Virtual Circuit, VC) ​

  • 思路：模仿电话网，面向连接。
  • 工作流程：
    1. 建立连接 (Setup)：确定路径，沿途路由器预留资源（带宽、缓存），并在转发表中建立 VC 记录。
    2. 数据传输：分组携带虚电路标识符 (VC ID) 而非目的地址。路由器根据 VC ID 转发。
    3. 拆除连接 (Teardown)：释放资源。
  • 特点：
    • 有状态：路由器必须维护通过它的所有连接的状态。
    • 严格顺序。
    • 如果某个路由器故障，经过它的所有 VC 都会中断。

4.2.2 数据报网络 (Datagram Network) ​

  • 思路：模仿邮政系统，无连接。
  • 工作流程：
    • 无连接建立：有数据直接发。
    • 独立路由：每个分组携带完整的目的主机地址。路由器根据目的地址独立为每个分组选择路径。
    • 动态性：同一对主机之间的不同分组可能走不同的路径（如果网络拓扑发生变化）。
  • 特点：
    • 无状态：路由器不维护端到端连接的状态（更健壮，路由器坏了只需换条路）。
    • Internet 的选择：Internet 是数据报网络。
特性数据报网络 (Internet)虚电路网络 (ATM)
连接建立不需要需要
寻址方式目的主机 IP 地址VC ID (链路局部有效)
路由器状态无连接状态维护每个连接的状态
分组顺序不保证保证
复杂性位置边缘 (端系统)核心 (路由器)

4.3 路由器体系结构 ​

路由器是网络层最核心的设备。从高层来看，它由路由选择处理器（控制平面）和三个数据平面组件（输入端口、交换结构、输出端口）组成。

4.3.1 输入端口 (Input Ports) ​

输入端口不仅仅是一根网线接口，它包含了物理层到网络层处理的完整逻辑：

  1. 物理层接收：将光/电信号转换为比特流。
  2. 数据链路层处理：解封装帧，提取 IP 数据报。
  3. 网络层处理（核心）：
    • 查找转发 (Lookup)：这是输入端口最重要的功能。根据数据报的目的 IP 地址，在转发表中查找对应的输出端口。这一步必须要在“纳秒级”完成，因此通常使用硬件（如 TCAM）实现。
    • 排队 (Queuing)：如果交换结构忙，数据报需要在输入端口缓存，可能导致队首阻塞 (HOL Blocking)。

4.3.2 交换结构 (Switching Fabric) ​

交换结构是路由器的核心，负责将数据报从输入端口实际搬运到输出端口。有三种主要类型：

1. 经内存交换 (Switching via Memory) ​

  • 原理：类似传统计算机。输入端口通过中断通知 CPU，CPU 将分组从输入内存拷贝到输出内存。
  • 特点：
    • 速度受限于内存带宽 (Bandwidth)。
    • 一次只能转发一个分组（不能并行）。
    • 适用于早期路由器或低端设备。

2. 经总线交换 (Switching via Bus) ​

  • 原理：输入端口通过共享总线直接将分组传送到输出端口，无需 CPU 干预。
  • 特点：
    • 速度受限于总线带宽。
    • 一次只能转发一个分组（总线被占用时，其他分组必须等待）。
    • 适用于中端企业级路由器。

3. 经互连网络交换 (Switching via Interconnection Network) ​

  • 原理：使用复杂的互连网络（如纵横式 Crossbar），连接 N 个输入和 N 个输出。
  • 特点：
    • 并行转发：不同输入端口可以同时向不同输出端口发送数据。
    • 高性能，适用于核心骨干路由器（如 Cisco CRS）。
交换类型核心机制速度瓶颈并行转发适用场景
经内存CPU 拷贝 (Input -> Mem -> Output)内存带宽否早期/低端设备
经总线共享总线 (Input -> Bus -> Output)总线带宽否中端企业路由器
经互连网络纵横式开关 (Crossbar)互连网络速率是高端骨干路由器

4.3.3 输出端口 (Output Ports) ​

  1. 排队 (Queuing)：当交换结构送来的速度超过链路发送速度时，需要缓冲。丢包通常发生在这里（弃尾策略或随机丢弃 AQM）。
  2. 链路层处理：将 IP 数据报封装成帧（如以太网帧）。
  3. 物理层发送：将比特流发送到物理链路。

4.3.4 路由选择处理器 (Routing Processor) ​

  • 归属：控制平面。
  • 功能：
    • 运行路由协议 (OSPF, BGP, RIP)。
    • 维护路由表 (Routing Table) 和链路状态信息。
    • 计算转发表 (Forwarding Table) 并下发给各个输入端口。
    • 在 SDN 架构中，该处理器负责与远程控制器通信。

4.4 转发与最长前缀匹配 ​

4.4.1 基于目的地址转发 ​

传统转发依据目的 IP 地址选择输出端口。

4.4.2 最长前缀匹配（Longest Prefix Matching） ​

当多个前缀匹配目的地址时，选择最长前缀：

  • 更具体的前缀优先
  • 保证路由的精确性

4.4.3 泛化转发 ​

除目的地址外，可匹配更多首部字段（如端口、协议号），支持更灵活的转发策略。

4.5 分组调度 (Packet Scheduling) ​

当分组到达输出端口的速度超过链路发送速度时，分组需要在输出队列中排队。调度程序决定下一个发送哪个分组。

4.5.1 先进先出 (FIFO / FCFS) ​

  • 规则：按到达顺序发送。如果缓冲满了，通常采用弃尾 (Drop-tail) 策略（丢弃新到达的包）。
  • 特点：简单，但无法区分业务优先级（视频流和文件下载一视同仁）。

4.5.2 优先权排队 (Priority Queuing) ​

  • 规则：
    1. 将分组分类（如高优先级的 VoIP，低优先级的 Email）。
    2. 维护多个队列（高优先队列，低优先队列）。
    3. 非抢占式：只要高优先队列有包，就先发高优先的；只有高优先队列空了，才发低优先的。
  • 问题：可能导致低优先级队列饥饿 (Starvation)，永远发不出去。

4.5.3 循环排队 (Round Robin, RR) ​

  • 规则：
    1. 将分组分类并排入不同队列。
    2. 调度器轮流扫描每个队列，从每个队列发送一个分组（如果非空）。
  • 特点：工作保持 (Work-conserving)，无饥饿，但没有考虑分组大小和优先级差异。

4.5.4 加权公平排队 (Weighted Fair Queuing, WFQ) ​

  • 规则：
    1. 这是 RR 的通用形式。
    2. 每个队列 i 分配一个权重 wi。
    3. 每个队列获得的链路带宽比例为 wi/(∑wj)。
  • 特点：既保证了公平性（每个类都能分到带宽），又支持优先级（权重不同）。这是目前路由器中广泛使用的调度算法。

4.6 网际协议：IPv4 (The Internet Protocol) ​

4.6.1 IPv4 数据报格式 ​

IPv4 首部通常为 20 字节（无选项时）。

  • Ver：版本号（4）。
  • HLen：首部长度（单位是 4 字节）。默认 5 (=20字节)。
  • TOS：服务类型（区分服务）。
  • Total Length：首部+数据的总字节数。
  • TTL (Time To Live)：生存时间。每经过一个路由器减 1，为 0 时丢弃（防止环路）。
  • Protocol：上层协议（6=TCP, 17=UDP）。
  • Source/Dest IP：32 位源/目的 IP 地址。

4.6.2 IPv4 分片与重组 (Fragmentation & Reassembly) ​

  • MTU (Maximum Transmission Unit)：链路层帧能承载的最大数据量（以太网通常 1500 字节）。
  • 分片：当 IP 数据报长度 > 链路 MTU 时，路由器将其切分为多个片（Fragment）。
  • 重组：分片只在目的主机进行重组，路由器不负责重组（减轻核心负担）。
  • 关键字段：
    • Identification (ID)：同一数据报的所有分片 ID 相同。
    • Flags：MF=1 (More Fragments) 表示后面还有分片；DF=1 (Don't Fragment) 禁止分片。
    • Offset：分片在原数据报中的偏移量（单位是 8 字节）。

4.6.3 IPv4 编址 ​

  • IP 地址：32 位标识符，通常用点分十进制表示（如 192.168.1.1）。
  • 组成：IP 地址 = 网络号 (Network ID) + 主机号 (Host ID)。
  • 接口 (Interface)：主机/路由器与物理链路的连接点。IP 地址是分配给接口的，而不是分配给设备的。

1. 子网 (Subnet) ​

  • 定义：将 IP 地址的高位部分定义为网络号 (Network Prefix)，低位部分为主机号 (Host Part)。
  • 特征：
    • 子网内的设备可以直接通信（不经过路由器）。
    • 子网掩码 (Subnet Mask) 用于区分网络号和主机号（如 /24 对应 255.255.255.0）。

2. CIDR (无类别域间路由) ​

  • 格式：a.b.c.d/x，其中 /x 是前缀长度。
  • 优势：打破了传统 A/B/C 类地址的刚性限制，允许任意长度的子网划分，提高了地址利用率。

3. 特殊 IP 地址 ​

  • 0.0.0.0：本网络上的本主机（启动时用）。
  • 255.255.255.255：受限广播地址（本局域网广播）。
  • 127.0.0.1：环回地址 (Loopback)。
  • 私有地址（内网专用，不可路由到公网）：
    • 10.0.0.0/8
    • 172.16.0.0/12
    • 192.168.0.0/16

4. 路由聚合 (Route Aggregation) ​

  • 原理：ISP 可以将分配给多个客户的子网（如 200.23.16.0/24, ... .17.0/24）聚合成一个更大的超网前缀（如 200.23.16.0/20）向外通告。
  • 作用：大幅减少全球路由表条目数量。

4.7 DHCP 与 NAT ​

4.7.1 DHCP (动态主机配置协议) ​

  • 功能：即插即用。自动为新接入的主机分配 IP 地址、子网掩码、默认网关和 DNS 服务器地址。
  • 工作原理 (DORA)：基于 UDP，Client 68 -> Server 67。
    1. Discover：主机广播“有没有 DHCP 服务器？”（源 0.0.0.0，目 255.255.255.255）。
    2. Offer：服务器广播/单播回复“我有个 IP (yiaddr) 给你”。
    3. Request：主机广播“我选用了这个 IP”。
    4. ACK：服务器确认。

4.7.2 NAT (网络地址转换) ​

  • 功能：允许内网（私有 IP）的多个设备共享一个公网 IP 访问互联网。解决 IPv4 地址短缺问题。
  • 工作原理：路由器维护一张 NAT 转换表。
    • 出包：将 (内网 IP, 内网端口) 替换为 (公网 IP, 新端口)。
    • 入包：根据 (公网 IP, 新端口) 查表，替换回 (内网 IP, 内网端口)。
  • 争议：破坏了端到端原则（P2P 应用受限），路由器处理层级过高（修改了 L4 端口）。

4.8 IPv6 ​

4.8.1 产生动机 ​

  1. 初始动机 (Initial Motivation)：
    • 32 位地址空间耗尽：IPv4 地址已完全分配，无法满足海量新设备的联网需求。
  2. 额外动机 (Additional Motivation)：
    • 加速处理与转发：IPv6 采用了 40 字节定长首部，简化了路由器处理流程，提高了硬件转发速度。
    • 支持流的处理 (Flow Treatment)：引入了流标签 (Flow Label)，允许网络层对属于同一“流”的分组进行差异化服务（如 QoS）。

4.8.2 IPv6 与 IPv4 的区别 ​

  • 地址长度：扩大到 128 位（16 字节）。
  • 首部格式：
    • 取消了：分片/重组字段（路由器不再分片，只由源主机分片）、首部校验和（由链路层/传输层保证）、选项字段（移至扩展首部）。
    • 新增了：流标签 (Flow Label)、优先级 (Priority)。
  • ICMPv6：整合了 IGMP（组播管理）和 ARP（邻居发现 ND）。
  • 迁移：通过隧道 (Tunneling) 技术，让 IPv6 数据报封装在 IPv4 数据报中穿越 IPv4 网络。
特性IPv4IPv6
地址长度32 位 (4 字节)128 位 (16 字节)
首部长度20 字节 + 选项 (变长)40 字节 (定长)
分片路由器和主机均可分片仅源主机可分片
校验和有 (首部校验和)无 (依赖链路/传输层)
选项字段在首部中移至扩展首部 (Next Header)
配置方式DHCPv4 或 手动自动配置 (SLAAC) / DHCPv6