网络层-控制平面

1. SDN

1.1 软件定义网络

控制器运行在控制平面，负责制定网络设备的路由选择和流量管理，路由器/交换机运行在数据平面，根据下发的规则执行具体的数据包转发

特征	解释
基于流的转发	SDN控制的交换机使用流表规则来转发数据包，即匹配运输层、网络层、链路层的首部字段执行对应操作，实现精细化的流量管理
数据平面和控制平面分离	SDN的数据平面专注于数据包的实际转发，而SDN的控制平面则集中于策略制定和网络管理
网络控制功能	SDN的控制功能通过SDN控制器和网络控制应用程序实现
可编程网络	SDN允许管理人员通过编程接口对网络进行动态配置和管理，赋予了控制平面灵活的“智力”

SDN控制器运行在多个服务器上，且这些服务器可以部署在不同物理位置上，但逻辑上是集中的

层次	作用	功能
抽象层/北向接口	负责与网络控制应用程序进行交互	路由选择、接入控制、负载均衡
管理层	负责管理网络	监控、检测、控制、优化
通信层/南向接口	负责与交换机进行通信	获取设备状态，执行网络配置

1.2 控制层面

• 每路由器控制：每台路由器都有一个路由选择组件，用于与其他路由器通信，并计算转发表的值

• 逻辑集中制控制：外部控制器与路由器上的控制代理（Control Agent）进行交互，以配置和管理路由器的转发表

网络的拓扑图表示

• 节点：路由器
• 边：路由器之间的链路
• 权值：传输开销
• 邻居：物理相连的路由器
• 路径：节点序列$(x_1,x_2,...,x_n)$

路由类型

• 集中式：算法知道全局节点信息
• 分散式：每个节点仅有邻居节点信息
• 静态：路由随时间的变化非常缓慢，通常由人工进行手动调整
• 动态：随着网络流量的负载或拓扑的变化而变化
• 负载敏感：链路开销会动态地变化以反映出拥塞水平
• 负载迟钝：链路开销不明确地反映拥塞水平

2. 路由选择算法

2.1 链路状态算法

链路状态算法（Link State, LS）

1. 通过 Hello 报文发现直接连接的邻居
2. 将本地链路状态信息广播给网络中的所有路由器
3. 路由器根据收到的链路状态信息构建网络的完整拓扑图
4. 使用 Dijkstra 算法计算到其他路由器的最短路径
5. 根据计算结果更新路由表

局限性

• Dijkstra 算法计算复杂度较高
• 每个路由器需要存储整个网络的拓扑信息，增加了路由器的存储负担
• 泛洪机制会增加网络流量，导致网络拥堵

Dijkstra 算法

1. 选择源节点加入可拓展节点，设置到自己的距离为0，到其他节点的距离为正无穷
2. 从可拓展节点列表中，选择当前距离最小的节点进行拓展，如果通过当前节点到达其他节点的路径更短，则更新其他节点的距离
3. 如果拓展节点的邻居节点不在已拓展节点列表中，则加入邻居节点到可拓展列表
4. 将可拓展节点列表按照距离排序
5. 重复第2-4步，一直到可拓展列表为空

LS算法过程：假设u为源

迭代	已拓展	可拓展	正在拓展	u->u	u->v	u->w	u->x	u->y	u->z
0	无	u	无	0	$\infin$	$\infin$	$\infin$	$\infin$	$\infin$
1	无	u	最小是u	0	2（更新）	5（更新）	1（更新）	$\infin$	$\infin$
2	u	x,v,w	最小是x	0	2	4（更新）	1	2（更新）	$\infin$
3	u,x	v,y,w	最小是v	0	2	4	1	2	$\infin$
4	u,v,x	y,w	最小是y	0	2	3（更新）	1	2	4（更新）
5	u,v,x,y	w,z	最小是w	0	2	3	1	2	4
6	u,v,x,y,w	z	最小是z	0	2	3	1	2	4
7	u,v,x,y,w,z	无	无	0	2	3	1	2	4

路由振荡：网络结构和路径开销的动态变化，导致频繁更换路由

如下图考虑y到w的路由，a时刻决定b时刻顺时针走，b时刻c时刻逆时针走，c时刻决定d时刻顺时针走，d时刻决定下次逆时针走

2.2 距离向量算法

距离向量算法（Distance Vector, DV）

• 距离向量：包含从该节点到网络中所有其他节点的当前已知的最短路径
• 距离向量表/路由选择表：包含当前获得的邻居的距离向量

Bellman-Ford算法：$d_x[y]=\min\{c(x,v) + d_v(y)\}$

• $v$是x的所有邻居
• $c(x,v)$表示当前节点x到邻居节点v的开销
• $d_x(y)$表示当前节点x到其他节点y到开销

DV算法过程

1. 每个节点初始化自己的距离向量表，到直接连接的邻居节点的距离为实际距离，而到其他节点的距离为无穷大
2. 节点定期将距离向量信息发送给邻居节点
3. 节点根据收到的距离向量信息，填入自己的距离向量表，然后使用 Bellman-Ford 方程更新自己的距离向量
4. 如果节点的距离向量发生变化，会发送更新报文给邻居节点
5. 重复上述过程，直到所有节点的距离向量表不再变化

2.3 区别

属性	LS算法	DV算法
类型	集中式	分布式
发送对象	广播更新报文到全部节点	发送更新报文到邻居节点
收敛速度	固定为为$O(n^2)$	很慢
健壮性	路由计算在某种程度上是独立的，具有一定的健壮性	一台路由器出现延迟可能导致整个网络路由改变

2.4 路由选择环路

定义数据包在网络中由于错误的路由信息而在多个路由器之间无限循环，无法到达目标地址的现象

原因

• 路由器之间的路由信息不一致，导致数据包被错误地转发
• 路由协议在拓扑变化时收敛速度较慢，可能导致临时环路
• 路由信息在短时间内频繁变化，可能导致数据包在网络中循环

解决

1. 最大跳数：当数据包的跳数超过最大跳数值时，数据包将被丢弃
2. 毒性逆转：当路由器检测到某条路径失效时，将该路径的距离设置为无穷大，并立即通知邻居
3. 水平分割：路由器不会将从一个邻居学到的路由信息再发送回该邻居

3. AS

自治系统（Autonomous System, AS）：是网络管理的基本单位，是在一个统一的管理域内运行的一组路由器，这些路由器使用相同的路由策略和路由协议

• 路由管理的模块化：将网络管理划分为一个个域，降低路由器的计算和存储开销
• 路由策略的灵活性：不同的网络可能有不同的路由需求（如优先级、流量控制、安全策略等）
• 提高网络的可靠性和扩展性：每个 AS 只需维护内部路由和少量外部路由信息，避免了单点故障，支持互联网的持续扩展

路由协议

• 内部网关协议（Interior Gateway Protocol, IGP）：用于 AS 内部的路由选择
• 外部网关协议（Exterior Gateway Protocol, EGP）：用于 AS 之间的路由选择

4. OSPF

开放最短路优先（Open Shortest Path First, OPSF）：用于在自治系统内部交换路由信息的协议

OSPF 是网络层协议，不用 UDP 或 TCP，而是直接使用 IP 数据包传送

OSPF 分组类型

• Hello 分组：用于发现邻居路由器并建立邻居关系
• 数据库描述分组（DataBase Description, DBD）：用于交换链路状态数据库的摘要信息
• 链路状态请求分组（Link-State Request, LSR）：用于请求缺失的链路状态信息
• 链路状态更新分组（Link-State Update, LSU）：用于发送链路状态信息
• 链路状态确认分组（Link-State Acknowledgement, LSAck）：用于确认接收到的链路状态信息

OSPF 流程

1. 邻居发现：通过 Hello 分组发现邻居并建立邻居关系
2. 数据库同步：通过 DBD 分组交换 LSDB 的摘要信息
3. 请求缺失信息：通过 LSR 分组请求缺失的链路状态信息
4. 更新链路状态：通过 LSU 分组发送链路状态信息
5. 确认接收：通过 LSAck 分组确认接收到的链路状态信息

区域划分

• 将一个AS划分为多个逻辑区域，每个区域拥有自己独立的链路状态数据库
• 所有区域必须连接到骨干区域（Area 0），确保区域间的路由信息传播

5. BGP

5.1 工作机制

边界网关协议（Broder Gateway Protocol, BGP）：用于在不同自治系统之间交换路由信息的协议

BGP是应用层协议，是基于TCP的

BGP工作流程

1. AS选择一个路由器作为自己的边界网关路由器（eBGP），其他路由器则作为内部路由器（iBGP）
2. eBGP发送 OPEN 报文与其他 eBGP 建立关系
3. eBGP 通告 AS 所能到达的 CIDR 前缀子网信息
4. eBGP 根据路径属性（AS-PATH、NEXT-HOP、LOCAL-PREF）和路由选择算法进行路由
5. 只有在路由信息发生变化时，eBGP 才会立即发送 Update 报文
6. eBGP 会定期发送 Keepalive 报文 维护邻居关系

5.2 路由选择

5.2.1 热土豆

总是选择具有最小最短路径开销的网关

• 最短：当前节点到所有其他节点的所有路径中最短的路径
• 最小：当前节点到所有网关节点的最短路径中最小的路径

局限性：没有考虑AS间的端到端开销，只为了减小在AS内部的开销

AS 希望赶紧将它扔给别的 AS

5.2.2 消除规则

按顺序地调用下列消除规则直到余下一条路由供选择

1. 选择最高LOCAL-PREF的路由（最高优先级，由人为设定）
2. 选择最短AS-PATH长度的路由（全局最短）
3. 选择最靠近NEXT-HOP的路由（热土豆，局部最短）
4. 使用最高BGP标识符的路由（最高的接口ip地址或loopback接口ip地址）

5.3 IP任播

IP任播（anycast）：允许多个不同的服务器或网络节点共享同一个 IP 地址，当客户端向这个 IP 地址发送请求时，网络会将请求路由到最近的或最优的服务器节点，而不是固定的某个节点

• 降低延迟：用户请求可以快速被路由到最近的服务器
• 提高可靠性：如果一个节点出现故障，流量会自动转发到其他健康的节点
• 负载均衡：通过共享相同的IP地址，网络可以将流量均匀地分配到多个节点上

IP任播技术广泛用于CDN、DNS、DHCP

5.4 多宿接入的边界客户网络

多宿：客户网络通过多个ISP接入互联网

边界：客户网络位于网络边界，不会用于转发流量

优势

• 提高可靠性：如果一个 ISP 故障，流量会自动切换到另一个 ISP
• 提高性能：流量可以分配到多个 ISP，减少单一链路的压力

6. ICMP

6.1 报文

网际控制报文协议（Internet Control Messages Protocol, ICMP）：用于主机和路由器之间沟通网络层信息

ICMP 是网络层协议，ICMP 报文是承载在IP报文中的，即作为 IP 数据包的有效载荷

类型	编码	描述
0	0	回显应答
3	0	目的网络不可达
3	1	目的主机不可达
3	2	目的协议不可达
3	3	目的端口不可达
3	6	目的网络未知
3	7	目的主机未知
4	0	源抑制：用于拥塞控制
8	0	回显请求
9	0	路由器通告：通告当前路由器的存在和配置信息
10	0	路由器发现：请求别的路由器发送通告
11	0	TTL过期
12	0	IP首部受损

核心用途

• 终点不可达：通告源设备无法到达目标设备
• 源点抑制：防止网络设备过载，缓解拥塞问题
• 时间超过：帮助诊断网络路径问题，避免数据包无限转发
• 参数问题：帮助源设备发现并修正数据包格式问题
• 改变路由：通知源设备更新路由表

6.2 ping

1. 源主机发送一个类型8编码0的ICMP报文到指定ip地址或域名的主机，请求回显
2. 目的主机收到回显请求报文后，会发送一个类型0编码0的ICMP报文到源主机，响应回显
3. ping命令的结果会指示往返时间和丢包率

6.3 tracert

1. 源主机不断发送TTL递增且端口不可达的IP数据包到目的主机，从而实现对路径的追踪
2. 当到达中间路由器且TTL过期时，中间路由器会返回一个类型11编码0的ICMP报文
3. 当到达目的主机时，目的主机会返回一个类型3编码3的ICMP报文
4. tracert命令的结果会指示往返时延和途径ip地址，如果超时会显示*

7. SNMP

网络管理是对计算机网络及其设备进行监控、配置、控制和优化的活动，旨在确保网络的高效、安全和可靠运行

简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol, SNMP）：是一个应用层协议，用于管理站和代理之间传递管理控制报文

• 管理站（Network Management Station,NMS）：向代理发送管理请求，接收代理的响应和通知
• 代理（Agent）：部署在被管设备上，维护管理信息库（MIB），响应管理站的请求，报告异常情况
• 管理信息库（Management Information Base,MIB）：描述被管理设备的属性的标准化数据结构

SNMP报文：作为UDP的有效载荷，使用161端口进行请求报文和响应报文的传输，使用162端口进行陷阱报文的传输

类型	方向	描述
GetRequest	管理者->代理	请求取得指定MIB对象实例值
GetNextRequest	管理者->代理	请求取得下一个MIB对象实例值
GetBulkRequest	管理者->代理	请求批量取得多个MIB对象实例值
InformRequest	管理者->管理	通知另一个管理相关信息
SetRequest	管理者->代理	请求设置MIB对象的实例值
Response	代理->管理者or管理者->管理者	对请求的响应
Trap	代理->管理者	向管理者通知一个异常事件

陷阱报文是由代理产生的，并且只从代理到管理者，不要求Response，报文结构和其他报文不一样