5 网络层-控制平面

作者： zzb
计算机网络-自顶向下方法
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5 网络层-控制平面

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5.1 导论

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5.2 路由选择算法

路由可以看作是子网到子网的路由【因此就是找到路由器到其他路由器的较好路径（到了这个路由器就到了这个子网）】，而不是主机到主机的路由，因为可以想象 IPv4 那么 40 亿多个主机，要确定其中两个主机的最佳路由路径，很困难。

事实上，对于不在一个子网的主机的第一跳一定是发送给这个子网的网关，最后一跳一定是由目标子网的网关发送给目标主机

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原则

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汇集树：sink tree 这个节点到其他所有路由器的最优路径形成的树

路由选择算法就是要为所有的路由器找到并使用汇集树

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分类

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  • 全局/分布式

  • 静态/动态：非自适应/自适应

链路状态算法：即Dijkstra 算法

贪心算法

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  1. 获得整个网络拓扑

  2. 使用Dijkstra 算法获得到达其他路由器的最短路径

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扩散即泛洪 flooding 让所有的路由器都能得到这个链路状态分组 LS。大家都这么做，所有可以让每个路由器都能得到其他所有节点的状况

迭代算法即 Floyed 算法 所有顶点的最短路径(非负权值)

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一个节点 A 收到来自其他节点 B 的泛洪分组，那么要给这个节点发送 ACK 确认，同时将这个分组发送给 A 的其他的邻居 C D E……并期待它们的确认，如果没有收到确认，那么会 A 会一直重复发这个泛洪分组

因此泛洪是可靠的，能够保证所有的节点都得到这个分组的信息

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distance vector-分布式算法

即 Bellman-Ford 算法

动态规划

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距离矢量中要记录

  1. 目标节点

  2. 到达目标节点路径上的下一跳

  3. 到达目标节点所需要的 cost

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和邻居交换距离矢量，再加上自己到邻居的代价，即可得到到达目标的最低代价

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定期测量；定期交换

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  • 自己到邻居的代价改变了，要重新计算

  • 邻居给自己的到达目标节点的代价改变了，邻居重新发给自己了，要重新计算

  • 自己的 DV 更新改变后要通知其他的邻居

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特点：

  • 好消息传得快

  • 坏消息传的慢，需要很多次迭代才能发现不可达

    • 解决办法

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      因为 C 要通过 B 才能到达 A，所以当 B 向 C 请求到达 A 时，C 应当告诉 B 为 INF。但告诉 D 时 C 会告诉 D 自己是可达的，这样就形成了水平分裂，C 的左右两边的信息不一样

    • image-20220501200139928

      但水平分裂在环状的网络拓扑中效果不好，可以缓解传得慢【C 立即知道不可达】，但不能解决【A，B 需要很长时间才能发现】

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LS 和 DV 的比较

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上面的振荡是指可能上个时间选择这条路径，这个时间因为这条路径拥塞，所以换了一条，下个时间因为拥塞用换回来

5.3 自治系统内部的路由选择协议-内部网关协议

前面介绍的是抽象的算法，接下来是具体的协议，协议来实现算法

RIP-适合小网

Routing Information Protocol

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基于 DV 算法

  • 每条链路的 cost = 1，最大跳数为 15，如果跳数超过 15，即当作不可达

  • 通告 advertisements：

    1. 邻居定期每隔 30 s，则交换通告
    2. 如果对方请求，那么可以直接发送通告

  • 每个通告最多通告 25 个目标网络的 DV，因此适合小网的自治

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毒性逆转就是水平分裂

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网络层的功能借助应用进程来实现，为了实现这个功能，还借助了传输层的 UDP

OSPF-适合大网

开放最短路径优先 Open Shortest Path First

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基于 LS 算法

直接在 IP 数据报上传送 OSPF 报文，不需要借助传输层协议

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允许根据多个代价（跳数、延迟等）来计算最优

在大型网络中支持层次性 OSPF

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分成多个 Area 分组只在一个 area 内进行泛洪，不会扩散到外面。area 之间来进行通信需要先交给骨干 area，由骨干 area 交给其他 area 其他 area 再在内部交给目标子网对应的路由器

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5.4 ISP 之间的路由选择

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前面讲的 RIP OSPF 等都是一个自治区内的路由选择，也就是一个平面内的路由。

但对于全球这么大的网络，显然用这些方法是非常困难的：规模问题、管理问题、安全问题

自治系统 AS Autonomous System

因此采用层次性路由，分为两层：

  1. 将网络划分成一个个的自治区域【规模小，使用之前的路由协议可以轻松解决】，自治区域内使用内部网关协议 intra-AS routing protocol，且没有要求使用哪种协议，可以是 RIP 也可以是 OSPF 或者是其他的私有的协议

  2. 自治区之间的路由：一个自治区在这个层面上只表现为一个点或者若干个很少的点，使用外部网关协议 inter-As routing protocol

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BGP

Border Gateway Protocol 边际网关协议

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不是由组织制定的，而是大家约定俗成的，因此称为事实上的标准

内部网关协议可以任意，但边际网关协议一定的一样的，不然不同的 AS 无法通信

对于每个AS，每台路由器要么是一台网关路由器（gateway router），要么是一台内部路由器（internal router）。网关路由器位于AS边缘，直接连接到其他AS的路由器。内部路由器仅连接自己AS中的主机和路由器。

  • eBGP exterior BGP 网关路由器从其他相邻的网关路由器得到他们收集来的自己所在的 AS 的可达信息

    如下的 1c 把自己子网的可达信息告诉 2a 后，2a 内都得到这个信息，那么 2c 就可以把这个信息进行 re-advertisement，将其转发给 3a【但注意加增加一跳信息，即3a 要达到 AS1 需要通过 AS2】，所以 3a 就可以知道 AS1 中的可达信息了，同时 2c 也会把自己 AS2 的可达信息告诉 3a

  • iBGP interior BGP 网关路由器将上面得到的子网可达信息传遍 AS 内部的所有路由器。告诉内部路由器，到到某个子网通过我这个网关路由器就可以到

    但注意下面的虚线不一定是物理链路，而是 TCP 连接，通过 TCP 传递子网可达信息，那么 TCP 怎么路由呢？自然是通过内部网关协议即可

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基于改进的 DV 算法，不仅仅包含距离（即多少跳）还包含路径，因此可以检查出其中的环路，避免无穷计算问题，收敛速度更快

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每对路由器通过使用179端口的半永久TCP连接交换路由选择信息。

使用 TCP 协议交换 BGP 报文

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基于策略的路由，不像内部网关协议，毫无保留的通告，在不同 AS 之间的通告会基于一定的策略，有多条路径可选择时，也会基于策略进行选择一条，不一定就以跳数作为标准，还有其他的考虑因素【内部网关协议注重性能，外部网关协议关注策略】

两个重要的属性是AS-PATH和NEXT-HOP。NEXT-HOP是AS-PATH起始的路由器接口的IP地址。

BGP 路由选择

1.热土豆路由选择（hot potato routing）

选择到开始该路由的多个NEXT-HOP路由器中具有最小开销的那条路径。

热土豆的思想：尽可能快地将分组送出其AS（最低开销），而不担心其AS外部到目的地的余下部分的开销。热土豆路由选择是自私的算法。image-20220504163224165

2.路由选择算法

实践中BGP使用一种比热土豆选择更为复杂的算法，进入BGP路由选择算法的输入是到某前缀的所有路由的集合，如果只有一条这样的路由就选择该路由，否则依次按照一些消除规则直到剩下一条路由。

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因此去往其他 AS 内的可达信息是由内部网关协议【决定通过哪些 interface 放出数据可以到达网关】和外部网关协议【决定怎么到外部子网】一起决定的

5.5 SDN 控制平面

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SDN 控制器：

  • 网络控制应用界面层：控制器通过**“北向”接口**与网络控制应用程序交互。

  • 网络范围状态管理层：网络的主机，链路，交换机和其他SDN控制设备的最新状态信息，以及各种受控设备的流表。

  • 通信层：SDN控制器和受控网络设备之间的通信。现在被称为控制器的“南向”接口。OpenFlow就是一种提供这种功能的特定协议。

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采用 TCP 交换报文

3 种类型：

  • 控制器–>分组交换机

  • 控制器<–分组交换机

  • 控制器<–>分组交换机

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两种控制器 Open Daylight 和 ONOS。

5.6 ICMP

Internet Control Message Protocol 因特网控制报文协议

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差错报告

ICMP 最典型的用途是差错报告

例如，当运行一个HTTP会话时，会遇到一些诸如“目的网络不可达”之类的错误报文。这种报文就来源于ICMP。在某个位置，IP路由器不能找到一条通往HTTP请求中所指定的主机的路径，该路由器就会向主机生成并发出一个ICMP报文以指示该错误。

ICMP通常被认为是IP的一部分，但从体系结构上讲它位于IP之上。当一台主机收到一个指明上层协议为ICMP的IP数据报时（上层协议编码为1）,它分解出该数据报的内容给ICMP,就像分解岀一个数据报的内容给TCP或UDP 一样。

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ICMP报文有一个类型字段和一个编码字段，并且包含引起该ICMP报文首次生成的 IP 数据报的首部和 ICMP的前8个字节（以便发送方能确定引发该差错的数据报）。

如下在返回的 11 0 ICMP 报文中包含了引起该 ICMP 报文的源报文的 IP 首部和 ICMP 内容的前 8 B

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ping

ping程序发送一个ICMP类型8编码0的报文到指定主机。目的主机发回一个类型0编码0的ICMP回显回答

Traceroute

利用返回的 ICMP 报文来判断，通过发送 ping 报文来实现

逐个增加 TTL 发送报文，同时为每个报文设定计时器，当 TTL 减为 0，路由器发送类型 11 编码 0 的 TTL 过期差错报告（包含这个路由器的名字和 IP 地址），因此可以得到往返时延。

当到达目标主机时，由于目标主机和 ping 的目标地址相同，因此目标主机会返回类型 0 编码 0 的 ICMP 报文对 ping 进行响应，因此 tracert 就知道已经到达了，无需再发送

（标准的 Traceroute 程序实际上用相同的TTL发送3 个一组的分组，因此 Traceroute 输出对每个TTL提供了 3个结果。）

总结

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