網絡層介紹

網絡層服務：網絡層為傳輸層提供主機到主機的通信服務

每一臺主機和路由器都運行網絡層協議

• 發送終端：將傳輸層報文段封裝到網絡層分組中，發送給邊緣路由器
• 路由器：將分組從輸入鏈路轉發到輸出鏈路
• 接收終端：從邊緣路由器接收分組，取出報文段交付給傳輸層

網絡層的功能

• 選路：確定去往目的路由器的路由
• 轉發：路由器根據選定的路由，將分組從輸入端口轉移到輸出端口

選路和轉發的關系

• 轉發表：記錄分組頭中某個字段與路由器輸出端口之間的映射關系
• 選路:計算轉發表
• 轉發：根據轉發表轉運分組

數據面和控制面

數據面(Data plane)

• 執行數據傳輸的功能屬于數據面
• 轉發是數據面功能，在路由器內部實施分組轉運
• 是路由器本地功能

控制面(Control plane)

• 控制數據傳輸的功能屬于數據面于控制面
• 選路是控制面功能，確定分組如何去往目的節點
• 是網絡范圍的功能

兩種控制面實現方法

• 傳統尋路算法：在路由器中實現
• 軟件定義網絡：在服務器中實現

網絡服務模型：

定義了分組在發送終端與接收終端之間的傳輸特性

可能的網絡服務：

• 保證交付
• 具有時延上界的保證交付
• 有序分組交付
• 保證最小帶寬
• 安全性

不同架構的網絡提供的網絡層服務可能不同

同一個網絡也可以提供不同的網絡層服務

路由器的組成

路由器的兩個主要功能：

• 選路：運行選路協議，計算轉發表
• 轉發：依據轉發表，從輸入鏈路到輸出鏈路轉發數據報

輸入端口功能

• 物理接口：負責連接到物理鏈路（例如，以太網端口、光纖端口等），通過物理媒體（如電纜、光纖）接收數據。
• 數據鏈路層處理：負責接收并處理從數據鏈路層（如以太網幀）接收到的數據包，檢查是否有差錯、解析MAC地址等。
• 接收緩存：當數據包進入路由器時，它們首先會存儲在輸入端口的緩存中，以待進一步處理。

交換結構

路由器中的互聯網絡，用于在輸入端口、輸出端口和選路處理器之間轉運分組

交換速率:通常是輸入/輸出鏈路速率的若干倍

三種類型的交換結構

通過內存交換

• 傳統計算機，在CPU的直接控制下完成交換
• 數據包拷貝到系統內存中進行交換
• 交換速率受限于內存帶寬：每個數據包穿過系統總線2次

通過總線交換

• 數據包通過一條共享總線，從輸入端口緩存轉移到輸出端口緩存
• 每個輸入和輸出端口通過一個接口硬件連接到總線上，每個端口被分配一個內部標簽
• 交換速率受限于總線帶寬
• 總線競爭
  • 總線協議防止多個端口同時傳輸，比如，采用時分多路復用的方法
  • 各個輸入端口在總線上輪流廣播分組，每個輸出端口根據分組攜帶的內部標簽接收發給本端口的分組

通過互聯網絡交換

• 交換結構控制器通過控制交叉點的開、閉，在輸入端口與輸出端口間建立內部專用電路
• 多對端口間可以并行傳輸
• 分阻塞型與非阻塞型，阻塞型互聯網絡會產生阻塞

輸出端口功能

• 物理接口：負責將數據通過物理鏈路發送到目標設備。
• 數據鏈路層處理：在數據包從路由器發送到目標時，處理數據鏈路層的相關操作（例如，封裝數據包、添加校驗和等）。
• 發送緩存：在將數據包發送到目標設備之前，輸出端口會將數據包存儲在緩存中，以確保數據順利傳輸。

網絡層處理：

• 組裝：若需要，將交換結構輸出的信元組裝成分組
• 排隊：若輸出端口來不及發送，分組在此排隊
• 調度：輸出端口每次選擇一個分組發送

鏈路層處理：執行鏈路層協議，封裝

物理層處理：將比特流轉換成物理信號

輸入端口排隊與丟包

當交換結構不能及時將輸入端口的分組轉移到輸出端口時，輸入端口處形成排隊

排隊帶來的問題：

• 隊頭阻塞: 隊頭分組阻塞其后分組的轉發
• 丟包：當輸入隊列溢出時，發生丟包

當交換結構速率至少為端口速率的n倍時（n為輸入端口數），可以消除輸入端口的排隊，但路由器成本提高了

輸出端口排隊與丟包

多個輸入端口同時向一個輸出端口發送時，在輸出端口形成排隊

當輸出隊列滿時，發生丟包

輸出端口排隊是不可避免的，設置多大的輸出隊列是一個問題：

• 增大輸出隊列：可以減少丟包的發生，但會增加內存消耗，并增大分組延遲，延遲太大的分組最終被重傳，浪費資源
• 輸出隊列并不是越長越好！

分組丟棄

分組丟棄策略：當隊列滿時丟棄哪個分組？

• 棄尾：丟棄到來的分組
• 按照優先級丟棄：低優先級分組
• 隨機丟棄：隨機選擇一個分組丟棄，如Ramdom Early Detection （RED）

隨機早期檢測（RED，Random Early Detection）

RED 是一種基于隊列長度的主動丟包策略，旨在避免擁塞的發生，并且在網絡負載增加時及時做出反應。

工作原理：

• 當隊列的長度超過某個預設的閾值時，RED 會開始以隨機的方式丟棄一些進入隊列的數據包，而不是等到隊列滿了才丟棄。
• RED 會根據隊列的當前長度和網絡的負載動態調整丟包的概率，隊列長度越長，丟包的概率就越高。
• 該策略通過在網絡出現擁塞之前丟棄一些包，來減少網絡的整體負載，從而避免網絡進入嚴重擁塞的狀態。