网络层----数据平面

前言：

最紧要记得自己为咩上台—《激战》

网络层基本概括：

网络层主要功能为

• 转发（将数据从路由器输入接口转移到合适的输出接口） （数据平面）
• 路由选择（端到端的路径选择），每台路由器都有一张转发表，用最长前缀匹配规则来转发。（控制平面）
  网络层提供单一的服务：尽力而为的服务，无带宽保证，无丢包保证，无顺序保证，不定时，无拥塞指示。也即差不多根本无服务。

这篇博客我们主要讲的是数据平面的东西。-----转发

路由器工作原理：

• 输入端口：执行终结入物理链路的物理层功能，执行查找功能（查询转发表决定输出的端口）
• 交换结构：将输入端口连接到输出端口
• 输出端口：存储从交换结构接收的分组，执行必要的链路层和物理层的功能，在输出链路上传输这些分组。
• 路由选择处理器：执行控制平面的功能，执行路由选择协议，并为路由器计算转发表，在sdn路由器中，路由选择器负责与远程控制器通信，接收由其计算的转发表项，并在输入端口安装好。

输入端口处理：前缀匹配法，使用最长前缀匹配规则

交换

三种交换技术。
1.经内存交换。 （cpu控制）
2.经总线交换。 （一根共享总线将分组直接传送到输出接口）
3.经互联网络交换。

输入输出端口排队

• 输入排队：到达分组加入输入端口队列中，以等待通过交换结构传输到输出端口
• 输出排队：当n个分组将到达同一个输出端口的时候，发生排队，路由器会将其缓存起来，若耗尽可用内存则会选择 弃尾、弃多个或者一个正在排队的，在缓冲满之前丢弃一个。

IPV4

IPV4的数据报格式

• 版本： ip协议版本号
• 首部长度：用于确认ip数据报中载荷实际开始的地方
• 服务类型：使用不同类型的ip数据报能够相互区分
• 数据报长度：ip数据报的总长度
• 16bit标识、标志、13bit片偏移：与ip分片有关，生成一个数据报时，发送主机在为改数据报设置源和目的地址的同时贴上标示号。发送的每个表示号+1。标志则是在ip数据报分片后的最后一片的标志为0.其他为1。偏移字段制定该片应放在初始ip数据报的哪个位置。
• 寿命：用于确保数据报不会在网络中循环。
• 上层协议：到达目的地址的时候才有用，16为tcp 17为udp
• 首部检验和：比特误差
• 源和目的ip地址：
• 选项：允许ip地址首部被扩展
• 数据（有效载荷）
  

ip4数据报为什么会分片？

原因其实是因为链路层有最大传输单元 通常为1500，而如果数据报大于1500，则该IP数据报需要分片传输。在目的主机处重组这些片段。根据（标志、标识、片偏移字段）。

获取主机地址：动态主机配置协议（DHCP）

某组织一旦获取一块地址，可为本组织的主机与路由器接口逐个分配ip地址，系统管理员通常手动分配路由器中的ip地址，而主机地址虽然也可以手动分配，但主要采用动态主机配置协议，DHCP允许主机自动获取ip地址、子网掩码、默认网关、本地服务器等。

那么是DHCP是如何交互的呢？

1、DHCP服务器发现：新到达的主机使用DHCP发现报文，向67端口发送udp分组，此时主机不知道所连接网络的ip地址，使用广播地址255.255.255.255并使用愿地址0.0.0.0。DHCP将该ip数据报传递到链路层，链路层将该帧广播到所有子网连接的节点。
2、DHCP服务器提供：DHCP服务器收到一个DHCP发现报文，用DHCP提供报文向客户作出响应。该报文仍然采用广播地址，提供给客户报文的事务id、ip地址、网络掩码、以及ip地址的租期。
3、DHCP请求：客户从一个或者多个dhcp服务器中选择一个，并向选中的服务器用dhcp请求报文进行响应
4、dhcp ack：服务器用DHCP ACK报文对于DHCO请求报文进行响应
至此，交互完成，客户能使用所分配的地址。

网络地址转换(NAT)

通常家用路由器都含有NAT，NAT路由器对外界如同一个单一ip地址的单一设备。NAT通过isp的dhcp服务器得到自己的ip地址。
而NAT路由器下的家庭网络则由NAT路由器中的DHCP服务器提供虚拟的ip地址，NAT路由器将NAT转换表，在表项中包含端口号以及其ip地址。

一个用户访问公网中某个资源的过程：

NAT路由器收到该数据报，将其源地址改为从nat路由器的地址，端口号修改，并且存储到NAT转发表中然后转发到公网中，随后收到响应后从NAT转发表中找到该记录，然后修改目的地址和端口号，转发给用户。
NATS其实就是用端口来区分不同的用户主机的报文