CNATDA 第四章学习笔记

你口安计网怎么内容又多课时又少考的还早啊（恼）

~~第三章讲的太快没来及看书，就先咕咕咕了。~~

现在补完第三章了

Overview of Network Layer¶

Network layer 可以细分成两个部分：data plane 和 control plane。

data plane 的主要功能是 forwarding（也叫做 switching ），也就是由 router 决定将 input link 收到的数据转发到哪个 output link。

router 中使用一个 forwarding table，根据 packet header 中的某些 fields 来 index forwarding table，从而得到 outgoing link interface。

control plane 的主要功能是 routing，即决定从 sending host 到 receiving host 到路径。

计算 forwarding table 也是 control plane 的任务，它有两种实现方式：

the traditional approach：router 之间通过 router protocol 进行通信，然后使用 routing algorithm 计算得到 forwarding table。
the SDN approach：router 只进行 forwarding，routing 由一个 remote controller 完成——router 向 remote controller 发送信息，由 remote controller 计算得到 forwarding table 发送给 router。这个 remote controller 通常由软件实现，这种方法称为 software-defined networking。

What's Inside a Router?¶

router 包含以下几个部分：

input ports:
incoming link 的 physical layer 和 link layer
look up:
- 从 forwarding table 查找对应的 output port
- 将 control packets forward 到 routing processor
存在 input queue
switching fabric: 连接 input ports 和 output ports
output ports:
outgoing link 的 physical layer 和 link layer
存在 output queue
routing processor: 执行 control-plane 的功能，计算 forwarding table，进行 network management
traditional: 执行 routing protocols
SDN: 与 remote controller 进行通信

input ports、output ports 和 switching fabric 通常使用硬件实现，这样使得 forwarding 的速率在 ns 级从而保证通信速率。而 control plane 的功能一般只需保持在 ms 或 s 级，可以用软件实现。

Input Port Processing and Destination-Based Forwarding¶

forwarding table 一般由 routing processors 更新或者接收自一个 remote SDN controller。

多个 input ports 可以合并在一个 line card 上，forwarding table 会从 routing processor 给每个 line card 复制一份，从而可以在每个局部分别计算。

destination-based forwarding 的 forwarding table 一般以 IP 地址前缀为 index，link interface 为 value 进行 longest prefix matching。

lookup 需要在 ns 级别实现，而 forwarding table 一般很大，因此还需要使用特殊的算法或存储器。

input ports 的 processing 还需要包括 physical-layer 和 link-layer processing，对 packets 的 version number、checksum、TTL 的检查与更改，对 network management 的 couters 进行更新。

Switching¶

switching 有多种形式：

via memory: 从 input port 复制到 memory 再复制到 output port，如果使用集中的 memory 而不是每个 line card 单独的 memory 会导致传输速率收到 memory 的速率限制，而且一次只能传输一个 packet
via a bus: 将 packet 加上一个 label 然后通过 bus 传输到所有的 output port，根据 label 决定是否留下，传输速率收到 bus 的速率限制，一次只能传输一个 packet
via an interconnection network: 每个 input port 对应一个 bus，每个 output port 对应一个 bus，每对 input port bus 和 output port bus 之间都有 crosspoint，通过控制 crosspoint 来控制从哪传到哪。这是 non-blocking 的，只要两个 pakcet 的 output port 不同就能同时传输。

Input Queuing¶

如果 switching fabric 的速率大于所有 input port 的速率之和，则一般不会发生 input queuing，但是如果它们的 output port 都相同的话还是会存在 queuing。

以 switching via interconnection network 为例，一个 packet 即使没有和它 output port 相同的 packet 也可能因为 input queue 中在它前面的其他 packet 而被 block，即 HOL blocking。

Output Queueing¶

如果 packet 到达 output port 的速率超过了 output line 的速率则会发生 output queuing。

当 packet 到达 output port 的时候 buffer 满了则需要考虑丢弃哪个 packet。在 buffer 满之前进行 pakcet dropping 或者 marking 称为 active queue management (AQM)。

How Much Buffer Is "Enough" ?¶

存在 \(N\) 个 TCP connection flow 经过一个带宽为 \(C\) 的 link 时，需要的 buffer 大小为 \(\mathrm{B=RTT\cdot C/\sqrt{N}}\)。

拥有更大的 buffer 虽然能减少 loss，但是也会带来更大的 queuing delay。TCP 可能会使得 buffer 一直不被清空，从而导致 queuing delay 是 constant 且 persistent 的，这被称为是 bufferfloat，可以通过采取 AQM 来减缓。

Packet Scheduling¶

主要有以下几种：

FIFO (First In First Out)
priority queuing: 优先级高的先开始传输
weight fair queuing (WFQ): 给每个 class 一个权重来依次传输，保证这个 class 的传输频率是 \(\frac{w_i}{\sum w}\)

The Internet Protocol (IP)¶

现在使用最多的 Internet protocol 是 IPv4 ，同时 IPv6 也在逐渐取代 IPv4 。

IPv4 Datagram Format¶

IPv4 的 datagram 格式如下。

version number: 长度为 4 bit ，表示 IP 协议的版本。
header length: 由于非定长的 options field 的存在，需要用 header length 表示 header 的长度，但是一般 options 为空，所以 header length 一般为 20 byte 。
type of service (TOS) : 用来区分不同类别的 datagram 。
datagram length: header + data 的长度。
identifier、flags、fragmentation offset: 较大的 datagram 会被分成一些较小的 datagram 并分别 forward ，这些是用来识别它们的。
time-to-live: 每被一个 router 加工就会减少 1 ，成为 0 的时候就会被丢弃，用来防止死循环。
protocol: 只会在到达终点的 network layer 时使用，表明应该交给哪个 transport layer 的协议。
header checksum: 检验 bit errors ，header 部分每 2 bytes 累加，得到的结果再取反，检查是否与存储在这个 field 的值相同。若不同，则直接丢弃。
source and destination IP address: 起点与终点的 IP 地址。
options: 允许 IP header 得以拓展，但是很少被使用到。
data (payload): 包括 transport layer 的 segment ，也可以是其他类型的 data ，如 ICMP messages 。

如果 options 为空，则一个 IP header 长度是 20 bytes ，如果使用 TCP 协议，则这个 datagram 的总的 header 长度为 40 bytes 。

IPv4 Addressing¶

一个 host 和他的 physical link 之间的边界就是 interface ，类似的，一个 router 和它每一个连接的 link 之间的边界也是一个 interface 。也就是说，其实相比于一个 IP 地址识别的是一个 host ，它识别的是一个 interface 的说法更准确。

IP 地址长度为 32 bits ，用 dotted-decimal notation 表示。

host interfaces 和它们连接的 router 的 interface 共同组成一个 subnet ，也称为 network 。

IP 地址按照 223.1.1.0/24 的形式分配给 subnet ，其中 24 称为 subnet mask ，是 IP 地址匹配过程中至少需要匹配的 prefix 的长度，而 223.1.1.0 的前 24 bits 就是这个 subnet 的地址。

Internet 分配 IP 地址的策略是 Classless Interdomain Routing (CIDR) 。在 CIDR 被采用之前，最常采用的是 classful addressing ，subnet mask length 只能为 8、16、24 bits ，分别称为 class A, B, C network ，导致不同 subnet 可分配地址数量差异过大，难以按需分配。

longest prefix matching 使得 address aggregation 成为可能：拥有相同 prefix 的 subnet 可以合并成一个更大的 subnet 。

255.255.255.255 是一个特殊的 IP 地址，表示 broadcast 地址。destination address 为 broadcast 地址的 datagram 会被发送给 subnet 内的所有 host ，也可能发送给 neighboring subnet 。

Obtaining Addresses¶

Obtaining a Block of Addresses¶

IP address block 由 ICANN 管理并分配给 ISP 和一些 organizations ，它们得到之后还可以将 IP address block 更细分然后分配给用户。

Obtaining a Host Address: DHCP¶

router 的 IP 地址一般是手动设置的，而 host 的地址则是通过 Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) 获得的。

每个 subnet 都会有至少一个 DHCP server 或者一个知道 DHCP server address 的 DHCP relay agent (一个 router ) ，由它们来给 host 提供临时的 IP 地址。

DHCP 获取 IP 地址的步骤如下：

DHCP server discovery: 新来的 host 通过 UDP 发送给 255.255.255.255 ，port 67 ，使用 transaction ID 作为 identifier 。
DHCP server offer(s): DHCP server 收到 discover message 后发送 offer message 给 255.255.255.255 ，port 68 ，包含 yiaddr 、transaction IP 、DHCP server IP 、Lifetime 。
DHCP request: host 收到 DHCP offer 后选择其中一个作为 IP 地址，然后以 broadcast 的方式发送 DHCP request，与 DHCP offer 具有相似的结构。
DHCP ACK: DHCP server 收到 DHCP request 后发送 DHCP ACK 。

Network Address Translation (NAT)¶

subnet 需要一段连续的 IP 地址，如果设备数量超过了原先分配的 IP address block 的数量就难以分配新的地址，于是引入了 Network Address Translation (NAT) 的方法来解决这个问题。

使用 NAT 时，subnet 内部使用 IP address space reserved for private network （10.0.0.0/8、172.168.0.0/16、192.168.0.0/16），用一个 router 与外界连接并进行 NAT ，这个 router 对外界表现为 a single device with a single IP address，通过 NAT translation table 在 private address + port 与 WAN-side address + port 之间进行转换（给每个 host 以及 application port 分配一个 NAT port 进行区分）。这个 router 的 public address 从 ISP 获得，同时它作为 DHCP server 为 subnet 内部提供 private address 。

NAT 同时也带来了一些问题，比如 subnet 内的 port 一般会变，而某些时候需要特定的不变的 port ，这个问题可以通过 NAT traversal 来解决。

IPv6¶

为了解决 IPv4 地址即将被耗尽的问题，人们发明了 IPv6 ，除了将地址长度从 32 bits 扩展到了 128 bits ，IPv6 还解决了 IPv4 中其他一些问题。

IPv6 datagram 的主要格式如下：

主要变化有：

在 unicast 和 broadcast 的基础上引入了 anycast address，允许了向多个地址之一发送 datagram。
使用定长为 40 bytes 的 header。
引入 flow table 使得 router 可以对 flow 进行特殊处理。
删除 fragmentation 提高性能，如果 datagram 太大则直接丢弃并发送相应的 ICMP error message。
删除 header checksum 冗余功能提高了效率。
删除 options ，其中 next header 不一定是 transport layer protocol ，也可以是 option。
TOS 改为 traffic class ，TTL 改为 hop limit ，datagram length 改为 payload length（不包含 header length），protocol 改为 next header。

由于 IPv4 到 IPv6 的转换仍在进行中，为了兼容旧的设备，采用 tunneling 将 IPv6 的 datagram 作为 IPv4 的 payload 进行传输，其中两个 IPv6 router 之间的 IPv4 router 被称为 tunnel 。

Generalized Forwarding and SDN¶

Generalized Forwarding 基于 “match-plus-action” 的原则，相对于 destination-based forwarding，“match” 时还可以考虑 IP header field 中 destination 以外的 fields ，也可以考虑 link-layer header、transport-layer header 等，而 “action” 除了 forward 还可以 drop、修改 header field 等。

OpenFlow 是一个 generalized forwarding 的协议，规定了 match 时可以/不能使用哪些 field，以及可以采取哪些 action。

Middleboxes¶

network 中除了 forwarding 之外用来实现一些其他功能的设备称为 middlebox，它们主要提供一下几种功能：

NAT translation
security services，如 firewall
performance enhancement，如 Web cache

middlebox 在一定程度上破坏了 network 层的 layered architecture ，也就是 abstraction 的概念。