计算机网络•自顶向下方法：网络层介绍、路由器的组成

网络层介绍

网络层服务：网络层为传输层提供主机到主机的通信服务

每一台主机和路由器都运行网络层协议

• 发送终端：将传输层报文段封装到网络层分组中，发送给边缘路由器
• 路由器：将分组从输入链路转发到输出链路
• 接收终端：从边缘路由器接收分组，取出报文段交付给传输层

网络层的功能

• 选路：确定去往目的路由器的路由
• 转发：路由器根据选定的路由，将分组从输入端口转移到输出端口

选路和转发的关系

• 转发表：记录分组头中某个字段与路由器输出端口之间的映射关系
• 选路:计算转发表
• 转发：根据转发表转运分组

数据面和控制面

数据面(Data plane)

• 执行数据传输的功能属于数据面
• 转发是数据面功能，在路由器内部实施分组转运
• 是路由器本地功能

控制面(Control plane)

• 控制数据传输的功能属于数据面于控制面
• 选路是控制面功能，确定分组如何去往目的节点
• 是网络范围的功能

两种控制面实现方法

• 传统寻路算法：在路由器中实现
• 软件定义网络：在服务器中实现

网络服务模型：

定义了分组在发送终端与接收终端之间的传输特性

可能的网络服务：

• 保证交付
• 具有时延上界的保证交付
• 有序分组交付
• 保证最小带宽
• 安全性

不同架构的网络提供的网络层服务可能不同

同一个网络也可以提供不同的网络层服务

路由器的组成

路由器的两个主要功能：

• 选路：运行选路协议，计算转发表
• 转发：依据转发表，从输入链路到输出链路转发数据报

输入端口功能

• 物理接口：负责连接到物理链路（例如，以太网端口、光纤端口等），通过物理媒体（如电缆、光纤）接收数据。
• 数据链路层处理：负责接收并处理从数据链路层（如以太网帧）接收到的数据包，检查是否有差错、解析MAC地址等。
• 接收缓存：当数据包进入路由器时，它们首先会存储在输入端口的缓存中，以待进一步处理。

交换结构

路由器中的互联网络，用于在输入端口、输出端口和选路处理器之间转运分组

交换速率:通常是输入/输出链路速率的若干倍

三种类型的交换结构

通过内存交换

• 传统计算机，在CPU的直接控制下完成交换
• 数据包拷贝到系统内存中进行交换
• 交换速率受限于内存带宽：每个数据包穿过系统总线2次

通过总线交换

• 数据包通过一条共享总线，从输入端口缓存转移到输出端口缓存
• 每个输入和输出端口通过一个接口硬件连接到总线上，每个端口被分配一个内部标签
• 交换速率受限于总线带宽
• 总线竞争
  • 总线协议防止多个端口同时传输，比如，采用时分多路复用的方法
  • 各个输入端口在总线上轮流广播分组，每个输出端口根据分组携带的内部标签接收发给本端口的分组

通过互联网络交换

• 交换结构控制器通过控制交叉点的开、闭，在输入端口与输出端口间建立内部专用电路
• 多对端口间可以并行传输
• 分阻塞型与非阻塞型，阻塞型互联网络会产生阻塞

输出端口功能

• 物理接口：负责将数据通过物理链路发送到目标设备。
• 数据链路层处理：在数据包从路由器发送到目标时，处理数据链路层的相关操作（例如，封装数据包、添加校验和等）。
• 发送缓存：在将数据包发送到目标设备之前，输出端口会将数据包存储在缓存中，以确保数据顺利传输。

网络层处理：

• 组装：若需要，将交换结构输出的信元组装成分组
• 排队：若输出端口来不及发送，分组在此排队
• 调度：输出端口每次选择一个分组发送

链路层处理：执行链路层协议，封装

物理层处理：将比特流转换成物理信号

输入端口排队与丢包

当交换结构不能及时将输入端口的分组转移到输出端口时，输入端口处形成排队

排队带来的问题：

• 队头阻塞: 队头分组阻塞其后分组的转发
• 丢包：当输入队列溢出时，发生丢包

当交换结构速率至少为端口速率的n倍时（n为输入端口数），可以消除输入端口的排队，但路由器成本提高了

输出端口排队与丢包

多个输入端口同时向一个输出端口发送时，在输出端口形成排队

当输出队列满时，发生丢包

输出端口排队是不可避免的，设置多大的输出队列是一个问题：

• 增大输出队列：可以减少丢包的发生，但会增加内存消耗，并增大分组延迟，延迟太大的分组最终被重传，浪费资源
• 输出队列并不是越长越好！

分组丢弃

分组丢弃策略：当队列满时丢弃哪个分组？

• 弃尾：丢弃到来的分组
• 按照优先级丢弃：低优先级分组
• 随机丢弃：随机选择一个分组丢弃，如Ramdom Early Detection （RED）

随机早期检测（RED，Random Early Detection）

RED 是一种基于队列长度的主动丢包策略，旨在避免拥塞的发生，并且在网络负载增加时及时做出反应。

工作原理：

• 当队列的长度超过某个预设的阈值时，RED 会开始以随机的方式丢弃一些进入队列的数据包，而不是等到队列满了才丢弃。
• RED 会根据队列的当前长度和网络的负载动态调整丢包的概率，队列长度越长，丢包的概率就越高。
• 该策略通过在网络出现拥塞之前丢弃一些包，来减少网络的整体负载，从而避免网络进入严重拥塞的状态。