网络层功能:异构网络互连、路由与转发、SDN、拥塞控制。

4.1 网络层的功能

  • 互联网设计思路:网络层要设计得尽量简单,向其上层只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。网络层不提供服务质量的承诺。

4.1.1 异构网络互连

  1. 异构网络:采用不同硬件技术、传输介质、网络协议和网络拓扑的网络。
  2. 异构网络互联:通过通信处理设备(中继系统)将多个计算机网络相互连接,构成更大的网络系统。

中继系统分类:

层次 中继系统
物理层 中继器、集线器(Hub)
数据链路层 网桥、交换机
网络层 路由器
网络层以上 网关(协议转换)
  • 物理层或数据链路层的中继系统只是扩大网络,不称为网络互联。
  • 网络互联特指用路由器进行网络互联和路由选择。
  • TCP/IP文献中常将网络层的路由器也称为网关。

TCP/IP的互联方式:

  • 采用网际协议IP实现异构网络互连,将互联后的网络视为一个虚拟互连网络(IP网络)。
  • 在IP网络层面,物理网络异构性被屏蔽,呈现统一的网络视图。

4.1.2 路由与转发

概念 含义
路由 选择路径的过程(从源到目的选择最优路径)
转发 数据包沿着选定的路径进行传输
  • 路由器根据路由选择协议构造和维护路由表,并从中生成转发表。
  • 实际转发时根据转发表将IP数据报从合适的端口转发出去。
  • 讨论中常笼统使用“路由表”一词。

4.1.3 SDN基本概念

SDN(软件定义网络):一种创新网络架构,采用集中式的控制平面和分布式的数据平面,两者分离,实现网络流量的灵活控制。

SDN体系的四个关键特征:

  1. 基于流的转发:转发依据运输层、网络层或链路层首部中的多个字段值(不再限于目的IP),实现精细化调度。
  2. 数据平面与控制平面分离:数据平面仅执行控制器下发的指令;控制平面负责计算、管理并安装流表项,二者通过标准接口通信。
  3. 网络控制位于数据平面交换机之外:控制层面用软件实现,可能位于远离交换机的机器上。
  4. 可编程的网络:通过网络控制应用程序,可以灵活控制转发行为(如简单转发、负载均衡、防火墙等)。

SDN组成:

  • 数据平面:支持SDN的交换机,执行“匹配+动作”的流表规则。
  • 控制平面:
    • SDN控制器(最复杂,分为三层):
      1. 通信层:通过南向接口(如OpenFlow协议,运行于TCP 6653端口)与受控设备通信。
      2. 网络范围状态管理层:维护网络中主机、链路、交换机等状态信息。
      3. 到网络控制应用程序的接口层:通过北向接口与应用程序交互。
    • 网络控制应用程序:获取网络状态,监视、编程和控制底层设备。

4.1.4 拥塞控制

拥塞:通信子网因传输的分组数量过量,导致网络性能显著下降的现象。

网络状态判断:

  • 轻度拥塞:吞吐量增长但显著低于正常水平。
  • 拥塞状态:吞吐量随负载增大而下降。
  • 死锁状态:吞吐量降为零,网络瘫痪。

拥塞控制目标:防止拥塞发生,并在拥塞时快速恢复。

两类控制方式:

方式 特点 手段
开环控制 静态策略,运行前制定,过程中不调整 限制新流量接入、设定丢弃规则、优化调度
闭环控制 动态监测,实时反馈调整 监测队列长度、分组丢失率等,反馈调整发送速率或路由

流量控制 vs 拥塞控制:

对比项 流量控制 拥塞控制
作用范围 端到端(接收方) 全局(网络内部)
目的 避免接收方溢出 避免网络过载
本质 局部性问题 全局性问题

习题

  1. 网络层的主要功能不包括?
    C. 端到端的流量控制(端到端流量控制是传输层的功能)

  2. 以下属于网络层拥塞控制机制的是?
    **B. 源抑制(Source Quench)**(源抑制是ICMP用于拥塞控制的机制)

  3. 当路由器收到一个IP分组时,它根据(A. 目的IP地址)来决定如何转发该分组。

  4. SDN的核心思想是什么?
    B. 将网络控制平面与数据平面分离

  5. OpenFlow协议的主要作用是什么?
    B. 允许控制器直接与交换机的转发表进行交互


笔记结束