# 1. 网络层概述

- 网络层中两个关键功能：
  - 转发：（数据平面）实际传输数据包。纳秒内操作
  - 路由：（控制平面）规划路径。包括传统路由算法（在路由器中实现，计算转发表，第5章）和软件定义网络SDN（服务器集中远程控制，第5章）。毫秒内操作

# 2. 路由器工作机理

- 最长前缀匹配：转发表存地址范围到链路接口号的影射。查找给定目标地址的转发表条目时，使用与目标地址匹配的最长地址前缀

- 交换

  - 经内存交换：数据包复制到系统内存然后再转发，速度受内存带宽限制
  - 经总线交换：数据报通过共享总线从输入端口存储器到输出端口存储器，速度受总线带宽限制
  - 经互连网络交换：连接多处理器，将数据报碎片化为固定长度的单元，通过交换结构交换单元

  <img src="images\路由器交换结构.png" alt="路由器交换结构" style="zoom: 50%;" />

- 排队：到达速率超过线路速度时进行缓存

  - 输入端口排队：输入缓冲区溢出导致排队延迟和丢失；线路前部(HOL) 阻塞（队列前面的排队数据报阻塞，后面的数据报就堵住了，一个输出端口的阻塞可能导致多个输出端口阻塞）
  - 输出端口排队：可能输出缓存溢出导致丢失

- 缓存量计算：RTT * 链路容量C（单流或少流适合）；或$\frac{RTT\times C}{\sqrt{N} }$​，N为流的数量（适合多流）

- 调度：先进先出；设置优先级；分类，每个类轮流调度；加权的分类轮流调度

# 3. IP：互联网协议

- IP数据包格式

  <img src="images\IP报文结构.png" alt="IP报文结构" style="zoom: 33%;" />

- 分片：网络链路具有最大可能的链路级帧，所以要将IP数据报分片

  - e.g. 4000B（20B报头+3980B数据）的数据报拆成(20B+1480B)+(20B+1480B)+(20B+1020B)的形式。另外还需要设置offset=字节偏移量/8

- 子网：具有相同子网部分 IP地址，可以不靠中间路由器物理相互联系

  - 地址表示：a.b.c.d/x，x是子网掩码，表示子网共同的IP有x位
  - 有限广播地址255.255.255.255，该报文会交付给相同子网中的所有主机（常用于DHCP）；定向广播地址：将IP和子网掩码相与计算出网络号，然后子网掩码取反后与网络号或运算，即为广播地址，用于向特定子网内的所有设备发送广播

- DHCP：动态主机配置协议

  1. 主机加入网络，255.255.255.255广播寻找DHCP服务器
  2. DHCP服务器广播回复该主机，提供一个IP
  3. 主机广播回复DHCP服务器，确认占用该IP
  4. DHCP服务器广播回复主机，同意主机占用该IP

  还会提供第一跳路由器的地址、DNS 服务器的名称和 IP 地址、网络掩码

- NAT：网络地址转换

  - 传出时：将内网主机的源（内网IP，Port）对外转换为路由器的源（外网IP，新Port）
  - 传入时：将外网主机的目的（路由器外网IP，新Port），转换回内网主机（内网IP，Port）

- IPv6：IP地址16字节。头部固定长度 40 字节，不允许分片

# 4. 通用转发和SDN

- OpenFlow：每个路由器都包含一个流表，该流表由逻辑集中式路由控制器计算和分发
  - 流表：匹配+动作转发表（e.g. 路由器匹配为最长的目标IP前缀，动作为转发链接；交换机匹配目标 MAC地址，动作为转发或洪泛）