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4. 网络层——数据平面

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C. Yin edited this page Feb 20, 2024 · 1 revision

目标：

  • 理解网络服务的基本原理，聚焦于其数据平面
    • 网络服务模型
    • 转发（数据平面）和路由（控制平面），各有2种方式：传统方式和SDN方式
    • 路由器工作原理
    • 通用转发
  • 互联网中网络层协议的实例和实现

4.1 导论

网络层服务

  • 在发送主机和接收主机对之间传送段(segment)
  • 在发送端将段封装到数据报中
  • 在接收端，将段上交给传输层实体
  • 网络层协议存在于每一个主机和路由器（每一个都需要封装和解封装）
  • 路由器检查每一个经过它的IP数据报的头部
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网络层的关键功能

  • 网络层功能：
    • 转发（一个局部的概念，数据平面）：将分组从路由器的输入接口转发到合适的输出接口
    • 路由（一个全局的功能，控制平面）：使用路由算法来决定分组从发送主机到目标接收主机的路径
      • 路由选择算法
      • 路由选择协议
  • 旅行的类比：
    • 转发：通过单个路口的过程
    • 路由：从源到目的的路由路径规划过程

网络层：数据平面、控制平面

  • 数据平面：分组从哪个端口输入，从哪个端口输出
    • 本地，每个路由器功能
    • 决定从路由器输入端口到达的分组如何转发到输出端口
    • 转发功能：
      • 传统方式：基于目标IP地址得知哪个端口输入 + 转发表（路由表）决定哪个端口输出
      • SDN方式：基于多个字段 + 与 流表 做匹配，通过匹配的表象进行相应的动作（如转发、阻止、泛洪、修改等）（不像传统方式只进行转发，更加灵活）
  • 控制平面：决定分组在整个网络中的路径
    • 控制网络范围内的逻辑
    • 决定数据报如何在路由器之间路由，决定数据报从源到目标主机之间的端到端路径
    • 2个控制平面方法：
      • 传统的路由算法：在路由器中被实现，得到路由表
      • software-defined networking (SDN，软件定义网络)：在远程的服务器中实现，计算出流表通过南向接口交给分组交换设备，进而与分组的多个字段相匹配并根据匹配结果进行相应的动作

传统方式：每-路由器(Per-router)控制平面

  • 在每一个路由器中的单独路由器算法元件，在控制平面进行交互
  • 控制平面和数据平面紧耦合（集中于一台设备上实现），分布式计算路由表，难以修改路由设备的运行逻辑，模式僵化

传统方式：路由和转发的相互作用

SDN方式：逻辑集中的控制平面

  • 一个不同的（通常是远程的）控制器与本地控制代理（CAs）交互，只用在控制器处改变流表就可以改变网络设备的行为逻辑，易修改、可编程

网络服务模型

  • Q：从发送方主机到接收方主机传输数据报的“通道”，网络提供什么样的服务模型(service model)？服务模型有一系列的指标
    • 对于单个数据报的服务：
      • 可靠传送
      • 延迟保证，如：少于40ms的延迟
    • 对于数据报流（一系列分组的序列）的服务：
      • 保序数据报传送
      • 保证流的最小带宽
      • 分组之间的延迟差(jitter)

连接建立

  • 在某些网络架构中是第三个重要的功能（继 路由、转发 之后）
    • ATM（有连接：建立连接&路径上所有主机进行维护）, frame relay, X.25
  • 在分组传输之前，在两个主机之间，在通过一些路由器所构成的路径上建立一个网络层连接
    • 涉及到路由器
  • 网络层和传输层连接服务区别:
    • 网络层：在2个主机之间，涉及到路径上的一些路由器，有连接
    • 传输层：在2个进程之间，很可能只体现在端系统上（TCP连接），面向连接

网络层服务模型：

网络架构 服务模型 保证带宽 不丢失 保序 延迟保证 拥塞反馈
Internet best effort “尽力而为” none no no no no (inferred via loss)
ATM CBR(恒定速率) constant rate yes yes yes no congestion
ATM VBR(变化速率) guaranteed rate yes yes yes no congestion
ATM ABR(可用比特率) guaranteed minimum no yes no yes
ATM UBR(不指名比特率) none no yes no no

4.2 路由器组成

路由器结构概况

  • 高层面（非常简化的）通用路由器体系架构：输入端口 + 输出端口 + 交换结构
    • 路由：运行路由选择算法／协议 (RIP, OSPF, BGP)-生成路由表
    • 转发：从输入到输出链路交换数据报-根据路由表进行分组的转发

注：输入/出端口的三个块代表网络层（红色）、链路层、物理层
注2：输入/出端口通常是整合在一起的，分开描述是为了方便

输入端口

  • 输入端口功能：物理层链路上的物理信号转换为数字信号，数据链路层封装成帧并进行一定的判断，将帧当中的数据部分取出，交给网络层实体

  • 输入端口需要有一个队列——输入端口缓存：下层交上来的速度于与交给分组交换结构的速度可能不匹配

    • 当交换机构的速率小于输入端口的汇聚速率时，在输入端口可能要排队
      • 排队延迟以及由于输入缓存溢出造成丢失！
    • Head-of-the-Line (HOL) blocking：排在队头的数据报阻止了队列中其他数据报向前移动

交换结构：将分组从输入缓冲区传输到合适的输出端口

  • 交换速率：分组可以按照该速率从输入传输到输出

    • 运行速度经常是输入/输出链路速率的若干倍
    • N个输入端口：交换机构的交换速度是输入线路速度的N倍比较理想，才不会成为瓶颈

  • 3种典型的交换机构：memory, bus, crossbar

    • 通过内存交换（memory） —— 第一代路由器：

      • 在CPU直接控制下的交换，采用传统的计算机
      • 分组被拷贝到系统内存，CPU从分组的头部提取出目标地址，查找转发表，找到对应的输出端口，拷贝到输出端口
      • 转发速率被内存的带宽限制（数据报通过BUS两遍（进+出），系统总线本身就会成为瓶颈，速率低）
      • 一次只能转发一个分组

    • 通过总线交换（bus） —— 第二代路由器

      • 数据报通过共享总线，从输入端口转发到输出端口
      • 虽然相比于memory方式，只经过bus一次，交换速率大大提升，但是还是有问题 —— 总线竞争：交换速度受限于总线带宽
      • 1次处理一个分组
      • 1 Gbps bus, Cisco 1900； 32 Gbps bus, Cisco 5600；对于接入或企业级路由器，速度足够（但不适合区域或骨干网络）

    • 通过互联网络（crossbar等）的交换

      • 同时并发转发多个分组，克服总线带宽限制
      • Banyan(榕树)网络，crossbar(纵横)和其它的互联网络被开发，将多个处理器连接成多处理器
      • 当分组从端口A到达，转给端口Y；控制器短接相应的两个总线
      • 高级设计：将数据报分片为固定长度的信元，通过交换网络交换
      • Cisco12000：以60Gbps的交换速率通过互联网络

输出端口

  • 当数据报从交换机构的到达速度比传输速率快就需要输出端口缓存（输出端口排队）

    • 假设交换速率 $R_{switch}$ 是 $R_{line}$ 的N倍（N：输入端口的数量）
    • 当多个输入端口同时向输出端口发送时，缓冲该分组（当通过交换网络到达的速率超过输出速率则缓存）
    • 排队带来延迟，由于输出端口缓存溢出则丢弃数据报

  • 由调度规则选择排队的数据报进行传输（先来的不一定先传）

    • 调度：选择下一个要通过链路传输的分组
    • 调度策略：

      • FIFO (first in first out) scheduling：按照分组到来的次序发送（先到先服务）

        • 现实例子？
        • 丢弃策略：如果分组到达一个满的队列，哪个分组将会被抛弃？
          • tail drop：丢弃刚到达的分组（抛尾部）
          • priority：根据优先权丢失/移除分组
          • random：随机地丢弃/移除

      • 优先权调度：发送最高优先权的分组

        • 多类，不同类别有不同的优先权
          • 类别可能依赖于标记或者其他的头部字段，e.g. IP source/dest, port numbers, ds, etc.
          • 先传高优先级的队列中的分组，除非没有
          • 高（低）优先权中的分组传输次序：FIFO
          • 现实生活中的例子？

        如上图：只要有红的就不传绿的，直到红色传完才开始传绿的

      • Round Robin (RR) scheduling:

        • 多类
        • 循环扫描不同类型的队列，发送完一类的一个分组，再发送下一个类的一个分组，循环所有类
        • 现实例子？

        如上图：第一轮传完红的传绿的，第二轮传完绿的传红的，如此往复

      • Weighted Fair Queuing (WFQ):

        • 一般化的Round Robin
        • 在一段时间内，每个队列得到的服务时间是： $(W_i/\sum{W_i}) * t$ ，和权重成正比
        • 每个类在每一个循环中获得不同权重的服务量
        • 现实例子？

        如上图：一个传输周期内，蓝色传输时间占 $40%$ ，红色传输时间占 $40%$ ，绿色传输时间占 $20%$

4.3 IP：Internet Protocol

IP协议主要实现数据平面的转发功能

4.3.1 数据报格式

主机，路由器中的网络层功能：

ICMP协议：信令协议（如Ping命令等）

IP数据报格式

4.3.2 IP分片和重组(Fragmentation & Reassembly)

IP 分片和重组

  • 网络链路有MTU（最大传输单元） —— 链路层帧所携带的最大数据长度
    • 不同的链路类型
    • 不同的MTU
  • 大的IP数据报在网络上被分片(“fragmented”)
    • 一个数据报被分割成若干个小的数据报
      • 相同的ID，知道属于同一个数据报
      • 不同的偏移量(offset)：小数据报的第一个字节在字节流中的位置除以8
      • 最后一个分片标记为0（fragflag标识位），其他分片的fragflag标识位标记为1
    • “重组”只在最终的目标主机进行（不占用路由器的资源）
    • IP头部的信息被用于标识，排序相关分片
    • 若某一片丢失，整个全部丢弃

例：

  • $4000$ 字节数据报
    • $20$ 字节头部
    • $3980$ 字节数据
  • $MTU = 1500 bytes$
  • 第一片： $20$ 字节头部 + $1480$ 字节数据
    • 偏移量： $0$
  • 第二片： $20$ 字节头部 + $1480$ 字节数据（ $1480$ 字节应用数据）
    • 偏移量： $1480/8=185$
  • 第三片： $20$ 字节头部 + $1020$ 字节数据（应用数据）
    • 偏移量： $2960/8=370$

4.3.3 IPv4地址

IP 编址：引论

  • IP地址：32位标示，对主机或者路由器的接口编址（注：标识的是接口而非主机）
  • 接口：主机/路由器和物理链路的连接处
    • 路由器通常拥有多个接口（路由器连接若干个物理网络，在多个物理网络之间进行分组转发）
    • 主机也有可能有多个接口
    • IP地址和每一个接口关联
  • 一个IP地址和一个接口相关联

Q：这些接口是如何连接的？
A：有线以太网网口链接到以太网络交换机连接
目前：无需担心一个接口是如何接到另外一个接口（中间没有路由器，一跳可达）

子网(Subnets)

  • IP地址：
    • 子网部分（高位bits）
    • 主机部分（地位bits）
  • 什么是子网(subnet)？
    • 一个子网内的节点（主机或者路由器）它们的IP地址的高位部分相同，这些节点构成的网络的一部分叫做子网
    • 无需路由器介入，子网内各主机可以在物理上相互直接到达，在IP层面一跳可达（但是在数据链路层可能需要借助交换机）

子网判断方法：

  • 要判断一个子网，将每一个接口从主机或者路由器上分开，构成了一个个网络的孤岛
  • 每一个孤岛（网络）都是一个都可以被称之为subnet。

长途链路 —— 点到点的形式 如：中国到日本的链路
计算机局域网 —— 多点连接的方式

子网掩码： 11111111 11111111 11111111 00000000
Subnet mask：/24

IP地址分类

  • Class A：126 networks ( $2^7-2$ , 0.0.0.0 and 1.1.1.1 not available), 16 million hosts ( $2^{24}-2$ , 0.0.0.0 and 1.1.1.1 not available)
  • Class B：16382 networks ( $2^{14}-2$ , 0.0.0.0 and 1.1.1.1 not available), 64 K hosts ( $2^{16}-2$ , 0.0.0.0 and 1.1.1.1 not available)
  • Class C：2 million networks, 254 host ( $2^8-2$ , 0.0.0.0 and 1.1.1.1 not available)
  • Class D：multicast
  • Class E：reserved for future

注：A、B、C类称为 单播地址 （发送给单个），D类称为 主播地址 （发送给特定的组的所有人）

互联网中的路由通过网络号进行一个个子网的计算，以网络为单位进行传输，而非具体到单个主机

特殊IP地址

  • 一些约定：

    • 子网部分：全为0---本网络
    • 主机部分：全为0---本主机
    • 主机部分：全为1---广播地址，这个网络的所有主机

  • 特殊IP地址

内网（专用）IP地址

  • 专用地址：地址空间的一部份供专用地址使用
  • 永远不会被当做公用地址来分配，不会与公用地址重复
    • 只在局部网络中有意义，用来区分不同的设备
  • 路由器不对目标地址是专用地址的分组进行转发
  • 专用地址范围
    • Class A 10.0.0.0-10.255.255.255 MASK 255.0.0.0
    • Class B 172.16.0.0-172.31.255.255 MASK 255.255.0.0
    • Class C 192.168.0.0-192.168.255.255 MASK 255.255.255.0

IP 编址：CIDR(Classless InterDomain Routing, 无类域间路由)

  • 子网部分可以在任意的位置，按需划分
  • 地址格式：a.b.c.d/x，其中 x 是 地址中子网号的长度（网络号的长度）

如上图，根据子网掩码，前23位为网络号，后9位为主机号

子网掩码(subnet mask)

  • 32bits , 0 or 1 in each bit
    • 1：bit位置表示子网部分
    • 0：bit位置表示主机部分（主机号在查询路由表时没有意义，路由信息的计算以网络为单位）
  • 原始的A、B、C类网络的子网掩码分别是
    • A：255.0.0.0：11111111 00000000 0000000 00000000
    • B：255.255.0.0：11111111 11111111 0000000 00000000
    • C：255.255.255.0：11111111 11111111 11111111 00000000
  • CIDR下的子网掩码例子：
    • 11111111 11111111 11111100 00000000
  • 另外的一种表示子网掩码的表达方式
    • /# ： 例如 /22 表示前面22个bit为子网部分

转发表和转发算法

Destination Subnet Num Mask Next hop Interface
202.38.73.0 255.255.255.192 IPx Lan1
202.38.64.0 255.255.255.192 IPy Lan2
... ... ... ...
Default - IPz Lan0
  • 获得IP数据报的目标地址
  • 对于转发表中的每一个表项
  • 如 (IP Des addr) & (mask)== destination，则按照表项对应的接口转发该数据报
  • 如果都没有找到，则使用默认表项，通过默认端口（通常是一个网络的出口路由器所对应的IP）转发数据报

主机如何获得一个IP地址?

  • 系统管理员将地址配置在一个文件中
    • Wintel: control-panel -> network -> configuration -> tcp/ip -> properties
    • UNIX: /etc/rc.config
  • DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)：从服务器中动态获得一个IP地址（以及子网掩码Mask（ 指示地址部分的网络号和主机号）、local name server（DNS服务器的域名和IP地址）、default getaway（第一跳路由器的IP地址（默认网关）））
    • “plug-and-play”，自动配置，接上即用；且只用在用户上网时分配IP地址，其余时间该IP可以被其他上网用户使用，提高效率

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol, 动态主机配置协议)

  • 目标：允许主机在加入网络的时候，动态地从服务器那里获得IP地址：
    • 可以更新对主机在用IP地址的租用期——租期快到了
    • 重新启动时，允许重新使用以前用过的IP地址
    • 支持移动用户加入到该网络（短期在网）
  • DHCP工作概况：
    • 主机上线时广播“DHCP discover” 报文（可选）（目标IP：255.255.255.255，进行广播）
    • DHCP服务器用 “DHCP offer”提供报文响应（可选）
    • 主机请求IP地址：发送 “DHCP request” 报文（这第二次握手是因为可能有多个DHCP服务器，要确认用哪一个）
    • DHCP服务器发送地址：“DHCP ack” 报文

DHCP client-server scenario

DHCP实例：

  • 第一次握手
    • 联网笔记本需要获取自己的IP地址，第一跳路由器地址和DNS服务器:采用DHCP协议
    • DHCP请求被封装在UDP段中,封装在IP数据报中，封装在以太网的帧中
    • 以太网帧在局域网范围内广播(dest: FFFFFFFFFFFF)，被运行DHCP服务的路由器收到
    • 以太网帧解封装成IP，IP解封装成UDP，解封装成DHCP
    • DHCP服务器生成DHCP ACK,包含客户端的IP地址，第一跳路由器的IP地址和DNS域名服务器的IP地址
    • DHCP服务器封装的报文所在的帧转发到客户端，在客户端解封装成DHCP报文
    • 客户端知道它自己的IP地址，DNS服务器的名字和IP地址，第一跳路由器的IP地址
  • 第二次握手 略

如何获得一个IP地址

  • Q1：如何获得一个网络的子网部分？
    • A1：从ISP获得地址块中分配一个小地址块

例：

ISP's block 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/20
前20位为网络号，后12位为主机号
Organization0 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/23
Organization1 11001000 00010111 00010010 00000000 200.23.18.0/23
Organization2 11001000 00010111 00010100 00000000 200.23.20.0/23
......
Organization7 11001000 00010111 00011110 00000000 200.23.30.0/23

  • Q2：一个ISP如何获得一个地址块？
    • A2：ICANN(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)
      • 分配地址
      • 管理DNS
      • 分配域名，解决冲突

层次编址：路由聚集(route aggregation)

  • 层次编址允许路由信息的有效广播

层次编址：特殊路由信息(more specific routes)

  • ISPs-R-Us拥有一个对组织1更加精确的路由
  • 匹配冲突时候，采取的是最长前缀匹配（匹配最精确）

下面来看内网地址。因为内网地址无法路由到，所以通过NAT技术，出去时共用一个机构的IP地址，回来时再转换为内网地址。

NAT(Network Address Translation)

  • 动机：本地网络只有一个有效IP地址：

    • 不需要从ISP分配一块地址，可用一个IP地址用于所有的（局域网）设备 —— 省钱
    • 可以在局域网改变设备的地址情况下而无须通知外界
    • 可以改变ISP（地址变化）而不需要改变内部的设备地址
    • 局域网内部的设备没有明确的地址，对外是不可见的 —— 安全

  • 实现：NAT路由器必须：

    • 数据包外出：替换源地址和端口号为NAT IP地址和新的端口号，目标IP和端口不变
      • 远端的C/S将会用NAP IP地址，新端口号作为目标地址
    • 记住每个转换替换对（在NAT转换表中）
      • 源IP，端口 vs NAP IP ，新端口
    • 数据包进入：替换目标IP地址和端口号，采用存储在NAT表中的mapping表项，用（源IP，端口）

实际上就是用外网的某个IP代替内网里面的网络号
出去的时候替换 原来IP 和 端口号
进来的时候替换 目标IP 和 端口号

  • 16-bit端口字段：
    • 6万多个同时连接，一个局域网！
  • 对NAT是有争议的：
    • 路由器只应该对第3层做信息处理，而这里对端口号（4层）作了处理
    • 违反了end-to-end 原则
      • 端到端原则：复杂性放到网络边缘
        • 无需借助中转和变换，就可以直接传送到目标主机
      • NAT可能要被一些应用设计者考虑, eg, P2P applications
      • 外网的机器无法主动连接到内网的机器上
    • 地址短缺问题可以被IPv6 解决

同时，采用NAT技术，如果客户端需要连接在NAT后面的服务器，会出现NAT穿透问题：出去没问题，可以找得到服务器，但是若外面想进来和内网的主机通信确做不到，无法找到通信主机。如客户端需要连接地址为10.0.0.1的服务器，但是服务器地址10.0.0.1是LAN本地地址（客户端不能够使用其作为目标地址），整网只有一个外部可见地址：138.76.29.7
有以下解决方案：

  • 方案1：静态配置NAT：转发进来的对服务器特定端口连接请求

    • e.g. (123.76.29.7, port 2500) 总是转发到10.0.0.1 port 25000

  • 方案2：Universal Plug and Play (UPnP)Internet Gateway Device (IGD) 协议。允许NATted主机可以：

    • 获知网络的公共IP地址(138.76.29.7)
    • 列举存在的端口映射
    • 增/删端口映射（在租用时间内）
    • i.e. 自动化静态NAT端口映射配置

  • 方案3：中继(used in Skype)

    • NAT后面的服务器建立和中继的连接
    • 外部的客户端链接到中继
    • 中继在2个连接之间桥接

4.3.4 IPv6

动机

  • 初始动机：32-bit地址空间将会被很快用完
  • 另外的动机：
    • 头部格式改变帮助加速处理和转发
      • TTL-1
      • 头部checksum
      • 分片
    • 头部格式改变帮助QoS

IPv6数据报格式：

  • 固定的40字节头部
  • 数据报传输过程中，不允许分片，而是路由器返回一个错误报告告诉源主机分组太大了，需要源主机将分组变小一点

IPv6头部(Cont)

  • Priority：标示流中数据报的优先级
  • Flow Label：标示数据报在一个“flow.” （“flow”的概念没有被严格的定义）
  • Next header标示上层协议

和IPv4的其它变化

  • Checksum：被移除掉，降低在每一段中的处理速度
  • Options：允许，但是在头部之外，被 “Next Header” 字段标示
  • ICMPv6：ICMP的新版本
  • 附加了报文类型，e.g. “Packet Too Big”（IPv6无法切片）
  • 多播组管理功能

从IPv4到IPv6的平移（过渡）

  • 不是所有的路由器都能够同时升级的
  • 没有一个标记日 “flag days”，在那一天全部宕机升级
  • 在IPv4和IPv6路由器混合时，网络如何运转？
  • 隧道：在IPv4路由器之间传输的IPv4数据报中携带IPv6数据报

隧道(Tunneling)


IPv6：应用

  • Google估计：8%的客户通过IPv6访问谷歌服务
  • NIST估计：全美国1/3的政府域支持IPv6
  • 估计还需要很长时间进行部署
    • 20年以上！
    • 看看过去20年来应用层面的变化：WWW, Facebook, streaming media, Skype, …
    • 为什么？

4.4 通用转发和SDN

之前介绍的路由大部分都是传统方式，下面来看通用转发和SDN的方式。

传统方式：1. 每台设备上既实现控制功能，又实现数据平面 2. 控制功能分布式实现 3. 路由表-粘连

  • 传统方式的缺陷：
    • 垂直集成（每台路由器或其他网络设备，包括：1.专用的硬件、私有的操作系统；2.互联网标准协议(IP, RIP, IS-IS, OSPF, BGP)的私有实现；从上到下都由一个厂商提供（代价大、被设备上“绑架”“）） --> 昂贵、不便于创新的生态
    • 分布式、固化设备功能 --> 网络设备种类繁多
      • 交换机；防火墙；NAT；IDS；负载均衡设备
      • 未来：不断增加的需求和相应的网络设备
      • 需要不同的设备去实现不同的网络功能
        • 每台设备集成了控制平面和数据平面的功能
        • 控制平面分布式地实现了各种控制平面功能
        • 升级和部署网络设备非常困难
      • 无法改变路由等工作逻辑，设备基本上只能（分布式升级困难）按照固定方式工作，控制逻辑固化，无法实现流量工程等高级特性
      • 配置错误影响全网运行；升级和维护会涉及到全网设备：管理困难
      • 要增加新的网络功能，需要设计、实现以及部署新的特定设备，设备种类繁

考虑到以上缺点，在2005年前后，开始重新思考网络控制平面的处理方式：SDN

  • 集中：远程的控制器集中实现控制逻辑，通过南向接口将流表发送给每个设备中的控制代理
  • 远程：数据平面和控制平面的分离

SDN：逻辑上集中的控制平面

  • 一个不同的（通常是远程）控制器和CA交互，控制器决定分组转发的逻辑（可编程），CA所在设备执行逻辑

SDN的主要思路

  • 网络设备数据平面和控制平面分离
  • 数据平面-分组交换机
    • 将路由器、交换机和目前大多数网络设备的功能进一步抽象成：按照流表（由控制平面设置的控制逻辑）进行PDU（帧、分组）的动作（包括转发、丢弃、拷贝、泛洪、阻塞）
    • 统一化设备功能：SDN交换机（分组交换机），执行控制逻辑
  • 控制平面-控制器+网络应用
    • 分离、集中
    • 计算和下发控制逻辑：流表

SDN控制平面和数据平面分离的优势

  • 水平集成控制平面的开放实现（而非私有实现），创造出好的产业生态，促进发展
    • 分组交换机、控制器和各种控制逻辑网络应用app可由不同厂商生产，专业化，引入竞争形成良好生态
  • 集中式实现控制逻辑，网络管理容易：
    • 集中式控制器了解网络状况，编程简单，传统方式困难
    • 避免路由器的误配置
  • 基于流表的匹配+行动的工作方式允许“可编程的”分组交换机
    • 实现流量工程等高级特性
    • 在此框架下实现各种新型（未来）的网络设备

流量工程：传统路由比较困难

Q1：网管如果需要u到z的流量走uvwz，x到z的流量走xwyz，怎么办？
A1：需要定义链路的代价，流量路由算法以此运算（IP路由面向目标，无法操作）（或者需要新的路由算法）
链路权重只是控制旋钮，错！

Q2：如果网管需要将u到z的流量分成2路：uvwz和uxyz（负载均衡），怎么办？（IP路由面向目标）
A2：无法完成（在原有体系下只有使用新的路由选择算法，而在全网部署新的路由算法是个大的事情）

Q3：如果需要w对蓝色的和红色的流量采用不同的路由，怎么办？
A3：无法操作（基于目标的转发，采用LS，DV路由）

SDN特点

SDN架构

  • 数据平面交换机
    • 快速，简单，商业化交换设备采用硬件实现通用转发功能
    • 流表被控制器计算和安装
    • 基于南向API（例如OpenFlow），SDN控制器访问基于流的交换机
      • 定义了哪些可以被控制哪些不能
    • 也定义了和控制器的协议（e.g., OpenFlow）
  • SDN控制器（网络OS）：
    • 维护网络状态信息
    • 通过上面的北向API和网络控制应用交互
    • 通过下面的南向API和网络交换机交互
    • 逻辑上集中，但是在实现上通常由于性能、可扩展性、容错性以及鲁棒性在物理上采用分布式方法
  • 网络控制应用：
    • 控制的大脑：采用下层提供的服务（SDN控制器提供的API），实现网络功能
      • 路由器 交换机
      • 接入控制 防火墙
      • 负载均衡
      • 其他功能
    • 非绑定：可以被第三方提供，与控制器厂商以通常上不同，与分组交换机厂商也可以不同

通用转发和SDN：每个路由器包含一个流表（被逻辑上集中的控制器计算和分发）

OpenFlow数据平面抽象

  • 流：由分组（帧）头部字段所定义
  • 通用转发：简单的分组处理规则
    • 模式(pattern)：将分组头部字段和流表进行匹配（路由器中的流表定义了路由器的匹配+行动规则（流表由控制器计算并下发））
    • 行动(action)：对于匹配上的分组，可以是丢弃、转发、修改、将匹配的分组发送给控制器
    • 优先权Priority：几个模式匹配了，优先采用哪个，消除歧义
    • 计数器Counters：#bytes 以及 #packets

OpenFlow: 流表的表项结构

OpenFlow抽象

  • match + action：统一化各种网络设备提供的功能 目前几乎所有的网络设备都可以在这个 匹配+行动 模式框架进行描述，具体化为各种网络设备包括未来的网络设备
  • 路由器
    • match：最长前缀匹配
    • action：通过一条链路转发
  • 交换机
    • match：目标MAC地址
    • action：转发或者泛洪
  • 防火墙
    • match：IP地址和TCP/UDP端口号
    • action：允许或者禁止
  • NAT
    • match：IP地址和端口号
    • action：重写地址和端口号

OpenFlow例子

4.5 总结

  • 导论
    • 数据平面
    • 控制平面
  • 路由器组成
  • IP: Internet Protocol
    • 数据报格式
    • 分片
    • IPv4地址
    • NAT：网络地址转换
    • IPv6
  • 通用转发和SDN
    • SDN架构
    • 匹配
    • 行动
    • OpenFLow有关“匹配+行动”的运行实例
  • 问题：转发表（基于目标的转发）和流表（通用转发）是如何计算出来的？
    • 答案：通过控制平面，详见chapter5
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