计网学习笔记六 Network Layer Overview
这节课开始进入了网络层的学习,讲述了网络层提供的功能,还有路由器内部是什么样子的,以及virtual circuit网络和datagram网络的一点比较。
网络层有什么作用呢?用一句话来说,就是需要负责将传输层的报文段从发送端传输到接收端。再详细一点点就是:
- 在发送方将传输层传下来的数据报文段封装成网络层数据报;
- 在接收方将接收到的数据报向上送到传输层;
- 网络层协议在所有的host和router都有应用;
- router需要检查流经它自身的所有数据报的header。
Network Layer Functions
网络层的功能有两个:routing
和 forwarding
。
用旅行来比喻:如果数据报是需要出门旅行的人,那么routing
就是提前决定好一条旅游的路线(从哪到哪然后到哪再到哪……),forwarding
则是在路线中的某一个站点进出的过程。
Routing
routing
使用路由算法找到一条从src到dest的最短路径。
routing
属于网络层的控制平面,需要多个路由器进行协调,以后慢慢阐述。
Forwarding
“Forwarding 是网络层数据平面唯一需要实现的功能。“
Forwarding
通过switching,来将数据包从节点入口移动到指定的节点出口,“在某个时刻一个包进来了,决定在哪个端口出去”。在这个过程还需要做error handling
, queuing
和scheduling
。
其中router进行switching的过程和二层交换机是十分相似的,router有一个forwarding table,起到了类似于交换机表的作用:
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102406665-1438428883.png)
但forwarding table并不是自学习得来的,而是需要各个路由器之间的路由算法进行通信后才可以配置完成。也就是说,控制平面的routing决定了数据平面需要使用的forwarding table。
forwarding 时网络层还会提供一点其它的功能,如queuing 和 scheduling,因为拥塞实时存在,所以加上这两个功能。
Service Model
网络层的服务模型(service model
)是指,如果想要传输一个数据报,那么传输所用的"channel"应该为什么样子的呢?
要用的"channel"需要考虑的因素非常多,即我们的"channel"应该为传输提供了什么样的服务……例如有以下服务:
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102407074-671423130.png)
对需求做出抽象后产生的服务功能越强,那么实现起来的代价就越大——所以作为应用最广的协议层,便宜很重要!
先不提实现成本,来看看IP和ATM协议的对比——它们提供了什么服务:
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102407496-1294440631.png)
可以看到,IP协议的best effort
服务真是够鬼舞的……好像什么都干不了,看看ATM协议能做的还真多,还分了四种优先级供人选择。
但ATM协议还是败了,就是败在了实现成本这方面。虽然IP看上去不咋地,但在现今与适当的带宽供给相结合已经能够用于大量的应用,已经“足够好”。
Inside the Router
Overview了网络层提供的功能和服务,我们来看路由器的工作原理,看它是如何进行forwarding
的。
总体路由器系统容量
其中 N 为路由器的外端口数量;R 为 端口的传输速率 (即“line rate”);
在 RFC 8238 第五部分的定义(5.1)有:
The line rate or physical-layer frame rate is the maximum capacity to send frames of a specific size at the transmit clock frequency of the DUT.
The term "nominal value of line rate" defines the maximum speed capability for the given port -- for example (expressed as Gigabit Ethernet), 1 GE, 10 GE, 40 GE, 100 GE.
路由器的属性差异
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102407945-1501002806.png)
路由器是有种类区分的,在不同应用场景下的路由器的配置也有所不同:
- Core 核心路由器
- R = 10/40/100/200/400 Gbps
- NR = O(100) Tbps (Aggregated速率)
- Edge 边缘路由器
- R = 1/10/40/100 Gbps
- NR = O(100) Gbps
- Small business 小型路由器(家用)
- R = 1 Gbps
- NR < 10 Gbps
路由器的实现机制
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102408271-78348224.png)
- 两个平面:控制平面负责
routing
,数据平面负责forwarding
; - 控制平面由一系列处理器和软件组成,路由器之间进行交流决定路由算法;
- 组成部分包括:输入端口、交换结构、输出端口、路由处理器。
问:为什么输入输出端口以及交换结构大部分用硬件实现?
主要challenge:接收数据包的速率的时间要求(例如100B大小的包要达到40Gbps的速率接收,则只有20ns时间处理)远远快于软件实现;所以不用普通的x86芯片,用的更快的ASICs实现(专用的网络处理器)。
Input Port Functions
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102408582-1139120382.png)
输入端口主要有以下四个任务:
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102408883-1583867569.png)
进行了线路端接和链路层处理后,我们来到了执行查找输出端口的步骤。转发表通过路由处理器计算和更新(或者由SDN转发过来的内容更新,SDN在控制平面会讲),转发表从路由处理器经过独立总线复制到 line card中,使用副本可以使得查找决策可以在各个输入端口上分别执行,无须调用集中式路由处理器。
但问题来了,IP有四十亿多的地址,一个端口对应一个地址的话,转发表怎么够装?
如何处理这样的规模问题?采用地址聚合。(可扩展性好)我们用最长前缀匹配规则 LPM rules来对地址们进行聚合。
LPM的定义如下:
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102409180-87341690.png)
来看一个例子。假设我们的交换机有四个端口,给出各个端口接收到的packet的地址范围(为了方便,用一个字节);可以看到这些地址的LPM分别是蓝色标记的部分:
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102409501-1283849468.png)
然后我们就可以根据LPM来把地址和对应的端口写入转发表中,此时一个端口对应的是一个“聚合起来”的地址群,而不只是单单的一个。
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102409868-1011889241.png)
由于需要达到纳秒级别执行,即使是用硬件执行查找,简单线性搜索匹配还是太慢。所以我们用一个Trie tree来查找匹配。(或者看这篇:路由查找算法研究综述)这是针对前缀查找问题的一个好方法,有点类似哈夫曼树,可以基于前缀长度而不是前缀内容做线性遍历。
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102410148-1085756836.png)
除了查找算法,在硬件上也需要进行对访存消耗的优化,如TCAM(三态内容可寻址存储器,电平控制)。
Switching fabric
交换结构可以由三种不同的交换技术实现,即内存memory
、总线bus
和纵横式crossbar
。
交换速率switching rate
是指packet从输入端口传输到输出端口的速率,通常以输入/输出的line rate
的倍数来衡量,
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102410469-229416555.png)
memory
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102410825-725797605.png)
早期的路由器是传统的计算机,对packet进出的使用IO机制进行处理(即中断--系统调用,packet被copy到内存中),在这种情况下如果内存带宽每秒能读出/写入B个packet,那么总的吞吐量一定小于B/2。另外还不能同时forward两个packet,即使端口不同——因为经过系统共享总线一次只能进行一次内存读/写。
现代的很多路由器同样采用memory方式,但与早期不同的是,查找packet并将其switch进内存中的行为是由输入端口的line card进行处理的。(这种方式很便宜,相对其它两种)
bus
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102411137-1141364427.png)
bus交换方式是通过路由器内部的背板总线来实现的,不需要路由处理器的操作。当packet查找出对应的输出端口时,packet头部被打上一个label(相当于多加一层header),这个label记录了对应的输出端口;然后它被放到总线上传输,这时所有的输出端口都能收到该packet,但只有label上记录的输出端口才能保存该packet。
因为一次只有一个packet可以通过总线(同一时间的其余packet需要原地等待),所以bus方式的switching rate
与背板总线速率有关。
crossbar
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102411455-1127697658.png)
为了克服bus方式共享总线带来的速率限制,我们可以用2N条总线来构建一个复杂的互联网络(对应N个输入端口和N个输出端口);然后总线的交叉点可以通过交换结构控制器来在任何时候进行开启/关闭,由此可以实现多个packet的并行转发。这种方式面对多个输出端口不同的packet时,是non-blocking的。
Cisco CRS利用三级non-blocking交换策略实现对多个输出端口相同packet进行并行switching。
Output Port Function
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102411744-221903346.png)
输出端口需要做的就是选择并取出正在queueing的packet,然后执行链路层功能,再进行物理层线路端接传输。
输出端口有三个组成部分:
Classifier
:流分类器,负责将packet分到各个流中;Buffer management
:决定哪一个packet以及在什么时候会被丢弃;Scheduler
:packet调度器,在queueing的packets中决定哪一个packet以及在什么时候会被传输走;
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102412019-1544433053.png)
在最简单的FIFO机制路由器里面,没有classification机制,buffer的management仅仅是把buffer尾部溢出的packet丢弃,scheduler也只是简单地使用FIFO来对packet调度——谁先来谁就能先出去。FIFO机制弊端太多,我们来看看这三个组成部分可以在此之上有什么提升:
Packet classification
Classifier
可以根据packet的header来进行流分类(有意义的调度必须要先分类):
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102412282-1271616456.png)
Scheduler
对于调度器来说,一个好的调度算法非常重要(纳秒级别的处理要尽可能快)。常见的调度算法有FIFO、优先级调度(Priority scheduler
)、加权公平调度等。
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102412545-1119790069.png)
我们来说一下优先级调度和加权公平调度。
对于这两个调度算法来说,buffer里面的每个流都有一个buffer队列。优先级调度的策略很容易理解:就是优先级越高的队列总是比优先级低的队列先进行packet传输;而加权公平调度则是有几种情况:最简单的round-robin
方式就是简单的对每一个队列都进行周期性的packet传输,你一下我一下;而weighted fair queue
(WFQ)方式是对队列进行加权后,按照权值来进行周期性循环。
PS:在早些时期,运营商可以自己调整ISP路由器中的队列优先级(谁给钱多,谁的packet就传输得越多越快),所以需要法案来规定这些东西……
VC网络(ATM)和数据报网络(Internet)
在第一节讲过我们的network的连接可以分为电路交换模式和分组交换模式。在这里我们来说一下它们在网络层中分别对应使用的具体协议实现:电路交换(virtual circuit网络)对应的是ATM协议,而分组交换(datagram网络)对应的是IP协议。
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102412900-724170985.png)
virtual circuit网络
VC网络需要在传输数据前在src和dest之间先确立好一条路线,在这条路线上的路由器和交换机都是固定分配好后就不变的,这也表示这条路线是这次传输专属的,性能可以被准确估计。这条路线需要用路由器来找出(shortest path)。
每一个在VC网络上传输的packet都会带着一个VC number,VC number在路线上的每一个link存在,它在转发表中的使用如下:
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102413264-1747862659.png)
VC网络的建立和断开就像大公司招人,正式职工一般是长期聘用的,不会断开那么快。它使用信令协议(Signaling Protocols
)来建立、维持以及断开VC连接,具体协议有ATM, frame-relay, X.25
,但是在今天的Internet已经基本看不见了(因为实现昂贵,昂贵的原因:需要保存途径连接的状态)
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102413635-1094146770.png)
datagram网络
datagram网络的特点是无确定连接、无转发状态记录,同样的src-dest的packet,在网络中走的可能是不同的路线。
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102413942-1803379976.png)
和VC网络的转发表不同,datagram网络的转发表记录的src地址可能是switch地址,也可能是一整个subnet的地址群:
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102414233-1293078904.png)
Virtual Circuits vs Datagram Networks
两种网络的routing:VC网络(左)和datagram网络(右)。
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102414525-152639614.png)
相关资料:Virtual Circuits vs Datagram Networks;有一个小的总结:
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/2565949/202304/2565949-20230404102414885-1056804881.png)