概述

兩種重要的網路層功能：轉發和路由選擇。（forwarding and routing）

• 資料層面（Data plane）：
  • local, per-router function
  • determines how datagram arriving on router input port is forwarded to router output port
  • forwarding function
• 控制層面（Control plane）：
  • network-wide logic
  • determines how datagram is routed among routers along end-end path from source host to destination host
  • two control-plane approaches:
    1. traditional routing algorithms: implemented in routers
    2. software-defined networking (SDN): implemented in (remote) servers

網路服務模型：

• 傳遞一個分組：
  • 確保交付。
  • 具有時延上界的確保交付。
• 傳遞分組流：
  • 有序分組交付。
  • 確保最小頻寬
  • 確保最大時延抖動。
  • 安全性服務。

僅在網路層提供連線服務的計算機網路稱為虛電路(Virtual-Circuit, VC)網路；僅在網路層提供無連線服務的計算機網路稱為資料報網路(datagram network)。

路由器工作原理

路由器的四個組成部分：

• 輸入埠
• 交換結構
• 輸出埠
• 路由選擇處理器

輸入埠

線路段接->資料鏈路層協議處理->查詢、轉發、排隊->交換結構

• destination-based forwarding: forward based only on destination IP address (traditional).
  • forwarding table: Destination Address Range->Link Interface.
  • Longest prefix matching.
• generalized forwarding: forward based on any set of header field values.

交換結構

• 經記憶體交換
• 經匯流排交換
• 經網際網路絡交換（縱橫式交換機）

輸出埠

交換結構->排隊、快取管理->資料鏈路層協議封裝->線路端接

快取長度

快取數量 (B) 應當等於平均往返時延(RTT)乘以鏈路的容量©，即 B = RTT·C

當有大量的 TCP 流 (N) 流過一條鏈路時，B = RTT·C√N

排程機制

• 先進先出，FIFO
• 優先順序排程
• Round Robin (RR) scheduling
• Weighted Fair Queuing (WFQ)
• 隨機早期檢測，RED

網路協議：IP

網路層的三個重要元件：

• IP 協議，IP Protocol
• 路由選擇部分，Routing Protocol
• 網路層差錯和資訊報告的協議，ICMP Protocol

資料報格式

可變的首部，一般為20位元組（不包含選項）。

IPv4 編址

• 子網(subnet)
• 無類別域間路由選擇(Classless Interdomain Routing, CIDR)
• 地址聚合(address aggregation)或路由聚合( route aggregation)

獲取 IP 地址：動態主機配置協議(Dynamic Host Configuration, DHCP)，即插即用協議(plug-and- play protocol)

• DHCP 伺服器發現（255.255.255.255）
• DHCP 伺服器提供（255.255.255.255）
  • IP 地址
  • 預設路由器
  • 預設 DNS 伺服器
  • 網路掩碼
• DHCP 請求
• DHCP ACK

網路地址轉換(Network Address Translation, NAT)：使用 NAT 轉換表( NAT translation table)，將 LAN 中不同 IP 地址轉換為 WAN 中同一 IP 的不同埠號。但是 NAT 協議違反了端到端的原則，阻礙了 P2P 應用，可以使用NAT 穿越。

IPv6

IPv6 資料報格式，有固定的40位元組的首部。

IPv6 中移除了 IPv4 的欄位：

• 分片/重新組裝：只在源與目的地上執行，簡化路由器，加快了網路中的 IP 轉發速度。
• 首部檢驗和：依靠運輸層和資料鏈路層的檢驗操作。
• 選項：下一個首部可以為選項地址也可以為鏈路層協議地址。

IPv4 到 IPv6 的遷移：

• 雙棧
• 建隧道（使用 IPv4 資料報包裹 IPv6 資料報）

廣義轉發和 SDN

流程表（flow table）

• Pattern: match values in packet header fields.
• Actions: for matched packet: drop, forward, modify, matched packet or send matched packet to controller.
• Priority: disambiguate overlapping patterns.（消除歧義）
• Counters: #bytes or #packets.

可以被用在：

• 路由器
  • match: longest destination IP prefix.
  • action: forward out a link.
• 交換機
  • match: destination MAC address.
  • action: forward or flood.
• 防火牆
  • match: IP addresses and TCP/UDP port numbers.
  • action: permit or deny.
• NAT
  • match: IP address and port.
  • action: rewrite address and port.