计算机网络——网络层：数据层面_网络层可以抽象角度划分为哪两个层面

计算机网络——网络层：数据层面

网络层概述

网络层的作用可以抽象为两个：

1. 转发，当一个包交换器收到一个数据包时，需要将数据包在出口端进行发送。
2. 路由，决定数据包的转发路径，其中，路由的方式由路由算法决定。

一个关键的组件就是路由表，一个路由表通过路由算法生成，指导数据包如何进行转发。

因此，我们将网络层分为两个层面，数据层和控制层。

其中，控制层由路由算法组成，负责维护转发表，而数据层则进行对数据包进行匹配、操作。

路由器

网络层最关键的设备就是路由器，一个路由器由下面的部分组成：

• 入口：数据从入口输入到路由器。
• 出口：数据从出口发送。
• 转发结构：定义了如何从入口读取数据，从出口发出数据。
• 路由处理器：维护转发表、执行转发算法。

转发

一般的，转发规则分为两种：

• 基于目的地的转发：路由器只根据网络层的 IP 地址进行转发。
• 一般化转发：路由器可以根据 5 层结构中所有数据进行转发。

基于目的地的转发使用掩码进行匹配，使用最长匹配算法进行匹配。

交换

交换一般通过三种方式：

1. 通过内存交换，硬件将数据包拷贝到共享内存，出口通过读取共享内存中的内容进行读取数据包进行发送。
2. 通过总线交换，各个端口连接到同一个总线，数据包在总线中移动，同一个时间总线只能传输一个数据包。
3. 内联总线网络，将总线设计为交叉网络，这样同一个时间能够传输多个数据包。

出口

无论是出口还是入口的缓冲区并不是越大越好，如果越大则会造成缓冲区臃肿，即每个数据包都必须进行排队。一般的通过公式 $B=C\times RTT$ 计算缓冲区大小。

包调度

缓冲区队列分为三种类型：

• FIFO 队列，即一般的队列。
• 优先队列，路由器先对接收到的数据包进行分类，为每一个级别的数据包都创建一个 FIFO 队列。
• 轮询权值公平队列（WFQ），与优先队列唯一不同的是，每一个数据包都有一个权值，它能够保证每个权值的数据包都能占用带宽的 $w/W$ 。

IP 协议

IPv4 数据报格式

• 版本号：默认为 4。
• 头部大小：根据 Options 部分而调整。
• TOS ： 用于网络拥堵控制。
• 数据报大小。
• 标识号、标志、段偏移：用于 IP 分段数据报。
• TTL ：每次经过一个路由器，数据报的 TTL 将会减 1，直到为 0 路由器丢弃。
• 上层协议号：指明了传输层所使用的协议。
• 校验和：检验数据。
• 32 位的源和目标 IP 地址。
• Options 可选头部分。
• Data 载荷数据。

主机每一个物理端口都称为接口，每一个接口都有一个 IP 地址，在一个子网中，使用 “xxx.xxx.xxx.xxx/xxx” 的格式标记子网。

DHCP 协议

DHCP 是一个应用层协议，使用 67 的 UDP 端口进行传输，自动配置主机的网络地址。

DHCP 协议分为四个类型的数据包，发现、提供、请求、和 ACK 。

NAT 网络地址转换协议

路由器一般具有网络地址转换协议，将输入或输出数据包的 IP 地址进行改写，链接两个不同的网络地址。

IPv6

• 版本号：一般为 6。
• TC：拥堵控制。
• Flow lable: 流控制。
• 负载大小。
• Next hdr : 上一层协议。
• HL: 类似于 TTL.
• 128 位的源和目的地址。
• 负载数据。

SDN 网络与网络中间件

如果路由数量多，网络结构复杂，通常使用 SDN 网络，即将每一个路由器的转发表通过一个公共的控制器配置、下发。

网络中间件是除了路由器的转发功能的其他网络设备，包括DHCP、NAT、IDS、防护墙等。

在数据层面，其核心的哲学思想就是“匹配-操作”，即先对数据包进行匹配，再根据匹配的结果做出操作，包括转发、改写、丢弃等等。