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网络层

网络层概论

数据链路层关注的是线路两端的传输；而网络层关注的是源机到目的机的传输，由于中间会经过 ISP（网络服务提供商）的路由网络，因此网络层的工作就是找到一条合适的路由路径。这个路径可能是固定的，称为 面向连接的服务；也可能是变化的，称为 无连接的服务。

无连接的服务

无连接的服务中，每个数据包独立路由，不需要提前建立路径。这种数据包称为 数据报，就像电报，对应的网络称为 数据报网络。

数据报网络的工作过程如下：数据报中会携带目的机的地址。每个路由器都维护着一张路由表，表有两列：目标地址和对应的出境线路，根据路由表来转发数据报。

比如在下图中，H1 发送一个数据报到 H2，路由器 A 收到数据报后，在路由表中查找去路由器 F 的出口，查到是 C，于是发送到 C，然后 C 再查路由表……最终经过 A-C-E-F 的路径到达 H2.

数据报网络

如果某条路径上发生了流量拥塞，假设是 A-C，那么路由器就会自动更新路由表，A 的路由表就变为图中 later 那样。建立、维护路由表的协议叫 路由选择协议，管理路由表的算法叫做 路由算法（route algorithm）

面向连接的服务

面向连接的服务中，发送数据包前要建立一条路径，称为 虚电路（VC，Virtual circuit），就像电话系统中那样，对应的网络称为 虚电路网络。

虚电路网络的工作过程如下：发送数据包前先建立一条虚电路，存储在每个路由器的路由表中，用标识符1区分。每个数据包同样有一个标识符，指明它用哪条虚电路。等所有数据包发完后，释放连接。

比如在下图中，建立虚电路后，H1 发送数据报到 H2，路由器 A 从 H1 接受到一个标识符为 1 的数据包，于是将它发送到 B，并赋予标识符 1，然后 B 再重复该过程……最终经过 A-C-E-F 传给 H2. 以后再发包也是用相同的路径。

虚电路网络

值得注意的是，路由器在转发时会给数据包赋予新的标识符，称为 标签交换。这是因为，对源端来说，标识符指的是源端的第几条虚电路，并不是全局的编号。同样，对路由器来说，标识符指的是某个端口上的第几条虚电路，也不是全局的。Anyway，千万不要认为某条路径上的所有标识符都是一致的。

问题 数据报网络 虚电路网络
电路建立 不需要 需要
寻址 包含源和目标地址 VC号（标识号）
路由方式 数据报单独路由 建立VC时选择路由，所有包都用该路由
状态信息 不保留 保留每个连接的状态
路由器失效 无影响 有影响
服务质量/拥塞控制 困难 简单

IP

Internet 由多个骨干网以及连接到骨干网上的 ISP（网络服务提供商）构成。而 Internet Protocal（IP协议）则用于将这些网络黏合在一起。

Internet 的通信过程：

  1. 传输层获取数据流，并分段，作为 IP 数据包发送（数据包最多容纳 64KB，为了兼容以太帧，通常不超过 1500 Byte）
  2. IP 路由器转发数据包，穿过 Internet，到达目标机器
  3. 目标机器的网络层还原成最初的数据报，并传给传输层

IP 协议

IP 数据报的格式分为：头+正文（也叫有效净荷）。头的格式为：20byte定长部分+变长部分，如下（从左到右，从上到下传输）：

各个字段的意义如下：

  • 版本：协议的版本，目前常用的是 4，也就是 IPv4
  • IHL：头部长度
  • 服务类型：
    • （修改前）前 3 位是优先级，后 4 位表示延迟、吞吐量、可靠性、花费哪个最重要，最后 1 位置0。然而，没人只要要怎么用。
    • （修改后）前 6 位表示服务类型，后 2 位表示拥塞通知信息。
  • 总长度
  • 标识：确定分段属于哪个数据报
  • DF：Don’t Fragment
  • MF：More Fragment 除最后一段，其他段都置1，用于判断所有段是否都到达。
  • 分段偏移量：该段在数据报中的位置
  • 生存期：一开始设置为 255，每一跳减 1，避免数据包永远逗留在网络中
  • 协议：传输层采用的协议
  • 校验位：将其他字段按 16 位累加取补码，这样接收方将所有字段按 16 位累加的结果为 0.（每一跳都会重新计算）
  • 源地址：后面介绍
  • 目标地址：后面介绍
  • 选项（不介绍）

P.S. 这里有个 Big-endian 的问题需要注意，详情去看：CSDN：大端、小端、与网络字节序 和 Tcp/IP 协议

IP 地址

IP 地址用来区分源地址和目标地址。一个 IP 地址指向的是一个网络接口，而不是一台主机。路由器有多个接口，所以有多个 IP 地址。

IP 地址有 32bit，一般分成 4 个 8bit，用 4 个十进制数表示，用 . 隔开。比如：

130.1.1.1
192.168.1.1
211.66.11.192/24

那么 IP 是不是随意分配的呢？显然不是（不然每个路由器的路由表就多到爆炸了）。实际上 IP 的分配有点像树：

IPv4树

从图中可以看出，每棵子树的前几个bit都是一致的，并且第一个bit对应第一层，第二个bit对应第二层。所以说：IP 地址有层次性。

每个 IP 地址由高位的 可变长网络部分（前缀）2 和 主机部分 组成。同一网络下的主机有相同的前缀，因此一般用前缀来代表某个子网。为了表明前缀的长度，我们一般在 IP 地址后面加条 /，然后写上前缀的位数（比如上面最后一行的例子）。在路由算法中，会以十进制掩码的形式将前缀长度告知路由器，称为 子网掩码，比如：

IP地址：211.66.11.192/24
子网掩码：255.255.255.0
IP地址 && 子网掩码 = 211.66.11.0 ➡ 前缀

利用 IP 地址的层次性，我们可以将一块网络内部分为多个 子网，但对外仍然像单个网络，称为 子网划分。比如在下面这个例子中，尽管内部有3个子网，但外部用 192.168.1.0 来代表整块网络。（这也是为什么路由器需要知道子网掩码的原因）

IP 分层的优缺点：

  • 优点
    1. 路由器根据网络部分即可转发数据包（同一网络上的主机在同一方向）
    2. 路由表只需要收录子网即可，可以减小路由表的大小
  • 缺点：
    1. 每个 IP 只属于特点的网络，而 MAC 则可以用于任何地方
    2. 层次结构浪费了空间（一个前缀下的空间不能用于另一个前缀）

IP地址一开始是采用 分类寻址3 的分配方式，后来发现这个分得不够细、不够好，就改成了现在用的 CIDR。

ICANN 负责全球 IP 地址和域名的分配。ICANN 一次把部分地址空间授权给各个区域，这些机构再把 IP 地址发给 ISP，ISP 再给用户。咱国家最大的IP分配机构叫 CNNIC。

ICANN IP地址分配

分类寻址

IP 地址根据前缀划分为 A、B、C、D、E 五类：

A、B、C 对应 大、中、小规模网络；D 类用于组播；E 类用于科研。

在进行 IP 地址分配时，有一些 IP 地址具有特殊含义，不会分配给互联网的主机。例如，保留了一些 IP 地址范围，用于私有网络，这些地址被称为私有地址。再如，保留一部分地址用于测试，被称为保留地址，比如（记私有地址）：

  1. A类地址
    • 私有地址范围为 10.0.0.0～10.255.255.255。
    • 保留地址范围为 127.0.0.0～127.255.255.255。
  2. B类地址
    • 私有地址范围为 172.16.0.0～172.31.255.255。
    • 保留地址为 169.254.X.X。
  3. C类地址
    • 私有地址范围为 192.168.0.0～192.168.255.255。

另外，还有几个特殊的 IP 地址（要记！）：

  • 网络地址：主机部分全部为 0
  • 广播地址：主机部分全部为 1
  • 0.0.0.0：表示主机或网络本身，是路由表中默认路由的目的地址
  • 255.255.255.255：泛洪广播地址，指互联网上的所有机器，但为了防止广播风暴，已经退化成的本地广播地址。
  • 127.0.0.0：环回地址，127.0.0.1 指本机
  • 169.254.0.0：非正常地址，这个地址用于当DHCP服务器故障，或者DHCP超时，不致于设备没有IP而造成连接不上。

127.0.0.1 与 0.0.0.0 的区别：

127.0.0.1 是回环地址，发向这个地址的数据包都发回给自己。

0.0.0.0 是未知/不可用目标的地址，在服务器中，0.0.0.0 指的是本机上的所有 IPv4 地址；在路由中，0.0.0.0表示的是默认路由，即当路由表中没有找到完全匹配的路由的时候所对应的路由。

参考：

CIDR

将一个前缀分为多个子网叫 子网划分，而将多个小前缀的地址合并为一个大前缀的地址叫 路由聚合，这个大前缀有时称为 超网。

在分类寻址中，网络大小只能是 A、B、C 中的其中一类，也就是前缀长度只能是 /8、/16、/24，这样会造成空间浪费。

CIDR（Classless Inter Domain Routing，无类域间路由） 的思想很简单，就是前缀可以是任意长度（当然，前缀的前几位始终和上层网络一致）。如果子网前缀分别是 /17、/18、/19 ，那么路由聚合后的超网就取其公共部分（$\leq 16$）。

CIDR子网划分实例

路由器使用子网掩码决定分组往哪个子网转发，路由器采用“AND ”操作（目的IP和子网掩码），得到目的网络地址，使用这种机制，路由器不必记录全部主机的IP地址，缩减了路由器的规模。

甚至，前缀允许重叠😳！举个例子，假如一个子网是 192.24.0.0，另一个平行的子网是 192.24.12.0，这时路由器会使用 最长匹配前缀，即尽量匹配最长的子网，假如一个数据包要发给 192.24.12.1，路由器在匹配到 192.24.0.0 后，发现更长的 192.24.12.0 也能匹配，就发给 192.24.12.0。显然，这种算法要求两个子网内的 IP 不能重叠。

由于 CIDR 的掩码可以是任意长度，不再局限于 /8、/16、/24，所以就需要 VLSM（Variable Length Subnet Mask，可变长子网掩码）。CIDR 和 VLSM 是配合使用的。

NAT

如果子网内的 IP 不够咋办？一种解决方法是动态分配 IP，只分配给活跃的客户端，但如果所有客户端都活跃咋办？这就需要 NAT（Natwork Address Translation，网络地址转换）

NAT 的思想很简单，几个人共用一个 IP 就好啦~ 对外都是同一个 IP 地址，对内则用另一套 IP 地址来区分不同客户端，然后通过 NAT盒 来进行转换。

对内使用的 IP 地址有三种：

  • 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255/8
  • 172.16.0.0 ~ 172.16.255.255/12
  • 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255/16

宿舍/家里用的 WiFi 用的就是 NAT，一般家用 WiFi 可支持的终端数比较少，所以一般用的是第三种（你可以在手机的WiFi设置界面中看到 192.168 开头的 ip 地址）。

那两个 IP 地址如何转换呢？这时我们就要利用上层网络——传输层，传输层中用端口号来区分不同应用的传输。于是NAT盒就将内部ip+端口号映射到真实ip+端口号，从而实现网络地址转换。

这种映射每次都会变的，如果想要固定，必须手动设置端口映射。

IP 组网

  了解完上面寻址方法后，就要利用这些方法给主机分配 IP，让它们组成一个网络。当然，可不能随便分，要规划好每个子网的大小，充分利用 IP 空间。顺便说一句，考试最后一道大题就考 子网规划 哟~ 😲

  一般来说，上级会分配一个基础的 IP 地址，比如一个 B 类地址 202.38.197.0，然后我们从地址位的高位开始借位，用于划分子网：

11001010 100110 11000101 00000000 —— 202.38.197.0
                         01
                         10
                         11
                         ↑
                         四个子网

  某些教科书上认为 00 和 11 这样的全 0 和全 1 的子网是不允许的，但实际是可以的（那个不允许的协议早就废除了）。至于考试的时候嘛……我也不知道写什么。

IPv6

IPv6 用于替换 IPv4，可以解决 IPv4 的诸多不足。主要改进如下：

  1. 地址从32位升为128位
  2. 简化了分组头
  3. 更好地支持选项
  4. 安全方面的改进
  5. 服务质量的改进

IPv6 地址

IPv6 的地址的规定如下：

  • 用十六进制表示；
  • 每4个十六进制数之间用冒号隔开，共 8 组；
  • 如果4个十六进制数前面是0，则可省略
  • 全零组可以全部省略，用 ::表示，但用一次（见下面的例子）；
  • 地址前缀还是用 /xx 表示
IPv6 地址例子：
0001:0123:0000:0000:0000:ABCD:0000:0001/96
1:123:0:0:0:ABCD::1/96
1:123::ABCD:0:1/96

IPv6的特殊地址：

  • 未指定：::/128
  • 环回地址：::1/128
  • 组播：FF00::/8
  • 链路本地地址：FE80::/10（一般看到的IPv6都是这个开头）
  • 网点本地地址：FEC0::/10

IPv6 过渡协议

  • 双协议栈： 网络设备、网络系统必须有双协议栈的支持（两个一起用）
  • 隧道技术：IPv6 作为分组封装在 IPv4 中，或反过来
  • 翻译/转换技术：使用 NAT64 将 IPv6 地址转换为 IPv4 地址或反过来

路由选择协议（路由算法）

路由算法（routing algorithm）负责确定一个入境数据包应该被发送到哪一条输出线路上。路由和转发是两个不同的功能，简单来说，路由用于更新路由表，转发则负责使用路由表。

有两类路由算法：

  • 非自适应算法（静态路由）：路由是预先设置好的
  • 自适应算法：根据拓扑结构和流量改变路由

汇聚树

最优化原理（ Optimization principle ）：如果一个路由器 J 处在路由器 I 到路由器 K 的最优路径上，那么，从路由器 J 到路由器 K 的最优路径也在同样的这条路径上。

汇聚树（sink tree）：从所有的源到一个给定的目的的最优路径形成的一棵树，树根是目的。汇集树不必是唯一的。

静态路由选择算法

最短路径路由选择

“最短路径”有多种衡量方法，比如：

  • 跳数
  • 物理距离
  • 延迟

我们可以利用 Dijkstra 算法 来找到从源到目标节点的一条最短路径，步骤如下：

  1. 已知图的结构。假设 $i$ 是源节点，集合 $N$ 初始时为 $N={i}$，$D(v)$ 是 $v$ 到 $i$ 的最小距离；
  2. 找到一个不在集合 N 中的节点 w，$D(w)$ 最小，把 w 加入到集合中，对应路径也记录下来；
  3. 更新每个点的 $D(w)$，替换为 $\min{D(v),D(w)+(w,v)}$
  4. 重复2、3步骤，直到所有节点包含在集合 $N$ 中
  5. 最终得到一个 SPF 树

例子如下：

屏幕截图 2020-12-21 150905

泛洪算法

泛洪算法：每个到达分组都被从除了到达端口外的所有其它端口转发出去(不计算路径，有路就走)。泛洪会产生大量重复数据包，解决的方法有：

  1. 在分组头增加一个计数器（counter），每经过一个节点，计算器减 1 ，当计数器变为零时，报文被丢弃。
  2. 每个节点设立一个登记表，当分组第二次到达时，被丢弃。
  3. 选择性扩散

泛洪的鲁棒性好，可靠性高，路径最短（因为能找到每一条可能的路径），常用于军事。

动态路由选择算法

为了实现动态路由，所有路由必须运行同一种路由选择协议，并且一台新的路由器必须主动介绍它自己，之后还要周期性地联系，以了解其它路由器的健康状况。

距离矢量路由 链路状态路由
从邻居看网络 整个网络的拓扑
在路由器间累加距离 计算最短路径
频繁、周期更新：慢收敛 事件触发更新：快收敛
在路由器间传递路由表的拷贝 在路由器间传递链路状态更新

距离矢量路由

距离矢量算法（DV，distance vector routing），简单来说就是：

  1. 每个路由器维护一张表，表中列出了当前已知的到每个目标的最佳距离，以及为了到达那个目标，应该从哪个目标转发的线路（端口）
  2. 邻居路由器之间交换路由信息（矢量）
  3. 每个路由器（节点）根据收到的矢量信息，更新自己的路由表

详解如下。假设第 i 个路由器的矢量为：

\[D_i= \begin{bmatrix} d_{i1}\\d_{i2}\\ \vdots \\d_{in} \end{bmatrix}\quad S_i= \begin{bmatrix} s_{i1}\\s_{i2}\\ \vdots \\s_{in} \end{bmatrix}\\ d_{i1}：从节点i到节点1的最短度量（代价）\\ s_{i1}：沿着从节点i到节点1的最短路径上的下一跳\]

相邻路由器交换 $D_i$ 矢量之后，用如下公式更新矢量信息：

\[\begin{aligned} d_{ij} &= \min_{x\in A} [d_{ix}+d_{xj}]\\ S_{ij}&=x\\ \end{aligned}\\ \begin{aligned} &A：节点i的邻居集合\\ &d_{ij}：从节点 i 到节点 j 的最短距离\\ &d_{ix}：从节点 i 到节点 x 的最短距离\\ &d_{xj}：从节点 x 到节点 j 的最短距离 \end{aligned}\]

D-V算法的特点：

  • 优点：简单
  • 缺点：
    • 交换的信息太大了
    • 路由信息传播慢，可能导致路径信息不一致
    • 收敛慢，度量计数到无穷
    • 不适合大型的网络

关于“度量计数到无穷”，可以形象地描述为“好 事传千里，坏事不出门”。我们考虑下图中的例子：左图中新加入了 A，经过 4 次交换就能找到最短路径；而右图中 A 断开，则 B、C 的度量会增加到无穷

屏幕截图 2020-12-21 153236

解决方法有：

  1. 定义路径度量（代价）的最大值
  2. 提高收敛速度
    1. 水平分割（ Split Horizon）：图中，C 禁止向 B 提供到达 A 的路由信息
    2. 毒性逆转（Poison Reverse）：B 发现 A 不可达时，主动将到达信宿的距离改为$\infty$，并告知其他路由器
    3. 抑制定时器（ Hold-Down Timers）：当 B 发现 A 发生故障时，启动抑制计时器：
      • a如果网络状态转变，down→up，关闭计时器，保留原有路由信息；
      • 如果收到来自 C 的关于信宿的路由信息，且路径比原有路径短，则关闭计时器，更新路由信息
      • 如果无上述两种情况发生，计时器到时，更新路由为信宿不可达。
    4. 触发更新（Triggered Updates ）：当 B 发现网络 A 发生故障时，不等下一刷新周期到来，立刻更改路由为“信宿不可达”，引起全网的连锁反映，迅速刷新

D-V 算法中问题产生的根本原因是：路由器不知道路径信息，比如上面右图中，C 收到 B 的路径信息后，不知道自己是不是在这个路径上。要完全解决这个问题，就必须知道路径信息，也就是下面要介绍的 L-S 算法。

RIP

RIP 是一种使用距离矢量路由的路由选择协议。具体不多说。

链路状态路由

链路状态路由算法（LS，link status routing），简单来说就是：

  1. 发现它的邻居节点们，了解它们的网络地址
    • 当一个路由器启动的时候，在每个点到点的线路（也就是向邻居）发送一个特别的 HELLO 分组
    • 收到 HELLO 分组的路由器应该回送一个应答，应答中有它自己的名字
  2. 设置到它的每个邻居的成本度量
    • 为了决定线路的开销，路由器发送一个特别的 ECHO 分组，另一端立刻回送一个应答
    • 通过测量往返时间（round-trip time） ，发送路由器可以获得一个合理的延迟估计值
  3. 构造一个链路状态分组（LSA/LSP），包含它所了解到的所有信息，包括：发送方的标识、序列号、年龄、邻居列表、到邻居的成本/量度。
  4. 发送这个分组给所有其他的路由器，周期性地构造和发送，或者有特别的事件发生时构造，比如某条线路或邻居down掉了。
  5. 计算到每个路由器的最短路径：可以用前面的 Dijkstra 算法构造汇聚树。

下图是网络中每个路由器的 LSP。

屏幕截图 2020-12-21 160848

LSP 中的序列号会递增，当 LSP 传到下一个路由器时，该路由器记录下该序列号，如果该序列号是新的，就将这个 LSP 泛洪广播；反之就丢弃。

但序列号是有限位的，可能会导致新老序列号混淆。解决方法就是使用一个很大的序列号（32位）

如果路由器崩溃，或者序列号在传输过程中出错（某一位变成了 1导致序列号变大），也会导致新新老序列号混淆。解决方法就是使用 AGE 字段，每过 1s，AGE 减一，当 AGE=0 时丢弃对应的 LSP.

为了避免线路出错，路由器收到一个 LSP 后都需要回送一个确认。

每个路由器维护一张 LSP 表，表中记录着它要向哪转发 LSP（send flags=1），以及要向哪回复确认（ACK flags=1）。下图中，当 B 从 C 收到 E 的 LSP 时，B 不必向 C 会送 E 的 LSP，所以 send flag 变为 1；同时 B 需要向 C 确认，所以 ACK flag 变为 1.

屏幕截图 2020-12-21 162236

L-S 路由算法的特点

  • 优点 *每个路由器的认识一致
    • 收敛快
    • 适合在大型网络里使用
  • 缺点
    • 每个路由器需要较大的存储空间
    • 计算负担很大

OSPF

OSPF 是 L-S路由协议的实例，是目前。使用10^8/带宽作为度量值

屏幕截图 2020-12-21 164421

OSPF 中有五种分组(packet)：

OSPF数据包类型 描述
Type 1－Hello 与邻居建立和维护毗邻关系。
Type 2－数据库描述包（DD） 描述一个OSPF路由器的链路状态数据库内容。（相当于网络的一个摘要）
Type 3－链路状态请求（LSR） 请求相邻路由器发送其链路状态数据库中的具体条目
Type 4－链路状态更新（LSU） 向邻居路由器发送链路状态通告，收到 LSR 后或发送特别事件时发送 LSU
Type 5－链路状态确认（LSA） 确认收到了邻居路由器的LSU

OSPF 的运行步骤如下：

  1. 建立路由器毗邻关系
    • Init：两台相邻路由器互发 Hello
    • Exstart & Exchange：相邻路由器交换 DD 信息，根据 DD 信息，找到自己缺少的路由信息，并发送 LSR
    • Loading：根据收到的 LSU，更新 LSP，并回复 LSA 确认
    • Full adjacency（全毗邻）：两台建立了全毗邻关系的路由器，LSP数据库完全一致。
  2. 选举DR和BDR
    • 为了减少同步 LSP 数据库的次数，选取一个 DR，其余路由器只与 DR 同步
    • DR是路由器选出来的，而非人工指定的；一旦当选，除非路由器故障，否则不会更换；DR 故障后，由 BDR 接替 DR 成为新的 DR
    • 选取最老的路由器（priority），次选 Router ID 最大的。
  3. 发现路由
  4. 选择最佳路由
  5. 维护路由信息

BGP

屏幕截图 2020-12-22 162513

拥塞控制

总的来说，要控制拥塞，有两类方法：

  1. 开环（Open loop）
    • 试图用良好的设计来解决问题，本质是从一开始就保证问题不会发生
    • 开环决策制定不考虑网络的当前状态
  2. 闭环（Closed loop）
    • 监视系统，检测何时何地发生了拥塞
    • 把这些信息传递到能够采取行动的地方
    • 调整系统的运行，以改正问题

下面主要讲闭环。

评价拥塞的量度有：

  1. 因为缺乏缓存空间而丢弃的分组百分比
  2. 平均队列长度
  3. 超时和重传的分组数
  4. 平均分组延迟
  5. 分组延迟的标准方差（standard deviation）

上述这些度量，数值越大表示拥塞的程度 越重。

检测到拥塞后，需要将拥塞信息告诉流量源，方法有两个：

  1. 每个分组可以保留一位或一个域，当拥塞度量超过阈值的时候，路由器填充该位或域，以此警告它的邻居。
  2. 主机或路由器周期性地向外发送探询分组，显式地询问有关拥塞的情况，然后，在有问题的区域利用回收的信息来路由流量 (类比：交通电台)

拥塞根源：负载 > 资源，所以解决拥塞的方法有两类：

  1. 增加资源
    • 在某些点之间使用更多的通道增加带宽
    • 把流量分散到多条路径
    • 启用空闲或备份的路由器
  2. 降低负载
    • 拒绝为某些用户提供服务
    • 给某些用户的服务降低等级
    • 让用户更有预见性地安排他们的需求

下面详细说说具体方法。一共有 5 种方法，根据起作用的快慢列在下图中：

屏幕截图 2020-12-21 194910

  1. 网络供给
    • 就是人为增加带宽，用备用路由或购买带宽
  2. 流量感知路由
    • 通过改变路径的权重，改变路由路径
    • 可能导致路由摇摆
  3. 准入控制
    • 拒绝建立新的虚电路
  4. 流量调节
    • 拥堵路由器通告源机发送慢下来，有下面三种方法
    • 抑制包：路由器发送抑制包给源主机
    • 显示拥塞控制：路由器在转发包时打上标记，当接收方发送应答包时，顺便通知源主机
    • 逐跳后压：要上一跳减慢发送，可以很快缓解，但上游路径需要更多缓冲区。
  5. 负载脱落
    • 最极端，直接丢掉一些分组
    • 丢掉的分组：随机丢弃/丢新（文件传输类）/丢旧（多媒体类）/丢不重要（需要发送方标明）

流量整形

网络的服务质量（QoS，Quality of Service）有四个参数：带宽、延迟、抖动、丢失，不同网络应用的要求如下：

屏幕截图 2020-12-21 200636

分组到达时间的变化量 (标准方差 standard deviation)叫做抖动 （jitter），在实时传输中，抖动可以引发问题，因为实时传输往往需要分组以恒定的速率到达

流量整形就是调节数据传输的平均速率（和突发数据流），减小抖动和拥塞。下面介绍两种算法：

漏桶（leaky bucket）：

  1. 每个主机连接到网络的接口中都有一个漏桶，即一个优先长度的内部队列
  2. 当桶中有分组的时候，输出速率是恒定的，当桶空的时候，输出速率是0
  3. 当一个分组到达满的桶的时候，分组将被丢弃（满则溢）
  4. 每个时钟嘀嗒( tick )，仅允许一个分组或固定数量的分组发送出去

屏幕截图 2020-12-21 201024

一个简单的例子如下：

  • 漏桶容量最多为 速率×持续时间，最少为 （产生速率-路由速率）×持续时间
  • 最大突发事件 = 容量/（产生速率-路由速率）

屏幕截图 2020-12-21 201116

漏桶的缺点：

  1. 当漏桶满了之后，数据将被丢弃
  2. 不能大量地突发数据

令牌桶算法：

  1. 令牌桶拥有令牌（tokens），且以每△T秒产生一个令牌的速度往桶中输入令牌
  2. 一个分组要发送的时候，它必要从桶中取出和获取到一个令牌
  3. 令牌桶算法允许累积令牌，但最多可以累积n（令牌桶的容量）个令牌

和漏桶算法相比：

  • 令牌桶允许突发，但是最大突发受制于令牌桶容量的限制
  • 当桶满的时候，令牌桶算法丢掉的是令牌（不是分组）

计算最大突发时间：设突发时间： $S$ 秒，令牌桶容量 $B$ 字节，令牌速率 $R$ 字节，最大输出速率 $M$ 字节，则：

\[B+RS=MS\\ S=B/(M-R)\]

其他

ARP

ARP（Address Resolution Protocol）的任务是找到一个给定IP地址所对应的MAC地址，可以用下面三张图来概括：

屏幕截图 2020-12-21 172725

屏幕截图 2020-12-21 172821

屏幕截图 2020-12-21 172839

获取 IP 地址的方式

RARP

ARP 反过来就是 RARP，它广播自己的 MAC 地址，并请求知道自己的 IP 地址。

BOOTP

DHCP

  • 使一台主机迅速并动态地获取一个IP地址
  • 通过DHCP获取的 IP是租来的，可能会过期
  • DHCP过程
    • 初始化状态
    • 选择状态
    • 请求状态
    • 绑定状态

推荐阅读

如果还是不理解路由器到底是怎么找到一个 IP 的，可以去看 dog250 写的 命题作文：在一棵IPv4地址树中彻底理解IP路由表的各种查找过程

如果不理解 OSPF 协议，可以去看 最通俗易懂的OSPF五种报文+七种状态

  1. 虚电路的标识符也叫标号、VC号 ↩

  2. 前缀有时候也指一个网络地址下的 IP 地址空间，因此当我们说前缀“大”时，指的是它下面的 IP 空间大。 ↩

  3. “分类寻址” 中的 “寻址” 是从路由器角度来说的，从用户角度就是 IP 地址的分配。 ↩

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