今天聊聊计算机网络中网络层那些事儿：在TCP/IP分层模型中，网络层起着承上启下的作用，它包含着诸多协议，内容十分繁杂，学习起来属实不易。因此，本文将采用图文的形式拆解网络层中的重要知识点，帮助读者一起过一遍网络层的核心知识。

我选取的教材是经典黑皮书“自顶向下”，同时本文的讲解顺序与原书有所区别。

1 整体框架

下面给出网络层的整体框架，我们将顺着这个脉络梳理一遍网络层的核心知识点。

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2 网络层概述

首先我们需要把握网络层在网络分层中的地位和作用：向上提供简单灵活、无连接的、尽最大可能交付的数据报服务。

网络层是不可靠的，不保证数据不出错、不丢失、不重复、不失序和超时，越简单越好，所以网络层造价比较低。网络层的主要功能如下所示：

  • 功能1：异构网络互联。路由器可以屏蔽各个子网络之间的物理网络异构性，使得应用不需要关注具体的编址方案和路由选择协议。
  • 功能2：路由选择。这是一个计划的过程，属于控制平面做的事情，本章后面会重点探讨。
    • 职能：根据路由选择协议构造路由表，不断和网络中其他路由器交换信息以维护和更新路由表。
  • 功能3：分组转发。这是一个行动的过程，属于数据平面做的事情，本章乃至本书都不会重点探讨。
    • 职能：查询转发表、转发、队列管理和任务调度。（转发表和路由表实际上不太一样，我们讨论的时候为了方便，把他俩当同一个东西处理）

SDN的概念了解

网络可以分为数据平面和控制平面。像我们上面说的路由选择就属于控制平面实现的功能，而分组转发就是数据平面实现的功能。

SDN（软件定义网络）是一种区别于传统路由管理方式的创新网络架构。传统的路由管理方式是分布式的，而SDN是集中式的。采用的协议是Openflow。

几个SDN中的概念需要了解一下：

  • 南向接口：控制器和转发设备之间建立双向会话的接口。
  • 北向接口：SDN对上层提供的编程接口。

3 IP协议

3.1 IPv4协议

3.2 IPv6协议

4 路由算法与路由协议

4.1 路由算法分类

路由算法关注的是如何获得路由表。路由算法大致可以分为两类：一类是静态路由算法（非自适应路由算法），一类是动态路由算法（自适应路由算法）。

静态路由算法需要网络管理员手动配置路由信息，适合小型网络。本章我们主要讨论动态路由算法。常用的动态路由算法可以分为：距离向量路由算法和链路状态路由算法。下面将会通过具体的算法实现来讲述这两类算法。

4.2 自治系统

自治系统AS可以理解为一组统一管理的路由器，类似于现实世界中分区治理的概念。

通过自治系统，我们可以将路由器的选择算法进一步分为自治系统内部（称为域内）的路由选择和自治系统外部（称为域外）的路由选择。

  • 内部网关协议IGP：自治系统内部使用。常见如RIP和OSPF。
  • 外部网关协议EGP：自治系统之间使用。常见如BGP-4。

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对于动态路由算法，我们现在有两种分类，一种是基于算法的实现来分类；一种是基于算法的作用范围来分类。

4.3 距离-向量算法

这个算法之所以叫做距离向量，是因为其交换的信息为到各个节点的距离，多个不同的距离组成了一个向量。实际上，这个“交换的信息”就是路由表。距离-向量算法的路由表长这个样子：

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我们从两个视角来看距离-向量路由的执行过程：

  • 单个路由器的视角：定期（比如30s）将整个路由表传给与当前路由器直接相邻的节点。
  • 全局的视角：每个路由器都参与路由表的交换，更新自己的路由表，从而得到一个到达目标网络的最小代价同路。

在不同的实现中，代价可以被不同的定义。例如，在RIP算法的实现中，代价被定义为跳数。

然而，由于路由器之间的传递“整个”路由表，如果整个网络的规模非常大的话，这一笔传递的开销是很大的。因此，距离-向量算法只适用于规模较小的网络。

4.3.1 RIP算法

本节针对距离-向量算法的一种实现——RIP算法进行深入的解读。

RIP协议的全称是路由信息协议，其最大特点是简单。算法建立在距离-向量算法的基础上，并规定“距离”为跳数。

RIP还有其他规定：

  • 一个路径中最多包含15个路由器，距离为16的时候表示不可大。
  • 默认每30s广播一次RIP路由更新信息。

我们以最开始路由表为空作为例子，经过一次交换的时候这个路由器就可以拿到距离自己跳数为1的路由表，经过k次交换后就可以拿到距离自己跳数为k的路由表。这样推演可知，当RIP收敛的时候，每个路由器到每个目标网络的距离都是距离上最短的。

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注意：RIP只可以保证距离最短，不可以保证时间延迟最短。

然而，虽然实现简单，RIP协议也存在下面的缺点：

  1. 仅支持小规模网络。
  2. “坏消息传得慢”现象。这是由于迭代的时候

针对坏消息传递慢的特点，我绘制了一张图，帮助读者更好的理解这个过程：

假设刚开始路由器R1、R2、R3都收敛，如果Network1突然不可达，消息会如何传递呢？理解了这个过程就能够理解坏消息传递慢的规则，详细请见下面图片：

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4.4 链路状态算法

4.5 不同算法的对比

  1. 转发是部分的路由表还是全局路由表。
  2. 转发是与相邻路由器之间，还是所有路由器。
  3. 转发是定时进行，还是事件触发时进行。
  4. 采用的协议。

附：中英术语表

采用双语教学的学校往往会考察中英文的翻译，下面是本章的中英术语表。

  • CBR：constant bite rate 固定比特流
  • ABR：avaliable bit rate可用比特流
  • VC：虚电路网络
  • CAMs：content addressable memory 内容可寻址存储器
  • TCAMs：ternary content addressable memory 三元内容可寻址存储器
  • 输出队列
    • WFQ：加权公平队列
  • 输入队列：
    • drop tail：去尾，buffer满了的策略。
    • AQM：active queue management 主动队列管理
    • RED：Random Early Detection 随机早期检测
  • HOL：head-of-the-line 线头前部阻塞（尽管buffer没有满，前面的包可能会阻塞后面的包）
  • CIDR：Classless Interdomain Routing 无类别域间路由选择
  • DHCP：Dynamic Host Configuration Protocol 动态主机配置协议
  • NAT：Network Address Translation 网络地址转换
  • ICMP：因特网控制报文协议
  • load- sensitive algorithm：负载敏感算法，根据拥塞程度来改变链路代价。
  • load- insensitive algorithm：复杂迟钝算法。不会根据拥塞程度来改变链路代价。比如说：RIP、OSPF、BGP
    • LS：Link State 链路状态算法
    • DV：Distance Vector 距离向量算法
  • ASs：Autonomous System 自治系统，分层路由的核心
    • gateway routers：网关路由器
    • hot potato routing：热土豆路由协议。
  • RIP：Routing Information Protocol 路由信息协议
  • OSPF：Open Shortest Path First 开放最短路径优先
  • BGP：Borader Gateway Protocol 边界网关协议
  • Poisoned Reverse：毒性逆转，解决RIP中无限ping-pong的错误。
  • TOS：Type of Service 服务类型
  • QOS：Quality of Service 服务质量