【计算机网络:自顶向下方法】(四)网络层 (IPV4 | IPV6 | 路由算法 )

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【计算机网络:自顶向下方法 第7版 | 中科大 】
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第4章 网络层 : 数据平面

4.1 导论

网络层服务
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网络层功能

  • 转发: 将分组从路由器 的输入接口转发到合适 的输出接口 (局部)
  • 路由: 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 (全局 )
    • 路由选择算法
    • 路由选择协议

数据平面

  •  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 地址+转发表
    • SDN方式:基于多个 字段 + 流

控制平面

  • 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
    • software-defined networking (SDN): 在远程的服务器中 实现

传统方式:路由和转发的相互作用 Vs SDN方式:逻辑集中的控制平面

  • 传统方式
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  • SDN 方式
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网络服务模型

  • 在某些网络架构中是第三个重要的功能 ATM, 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
    • 传输层: 在2个进程之间,很可能只体现在端系统上 (TCP连接)
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      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?
  • 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

4.2 路由器组成

概况

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  • 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

输入端口功能

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  • 基于目标的转发: 如果地址范围如果没有划分的特别规整,会发生什么?
  • **最长前缀匹配 longest prefix matching Destination Address Range** : 当给定目标地址查找转发表时,采用最长地址前 缀匹配的目标地址表项 . (IP地址部分详解 )

输入端口缓存

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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
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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)
  • 一次只能转发一个分组
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通过总线交换

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  • 数据报通过共享总线,从输入端 口转发到输出端口
  • 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

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 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

输出端口

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 假设交换速率Rswitch是Rline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!

调度机制

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  • 调度: 选择下一个要通过链路传输的分组

FIFO (first in first out) scheduling: 按照 分组到来的次序发送

  •  丢弃策略: (队列满的时候 )
    • tail drop: 丢弃刚到达的分组
    • priority: 根据优先权丢失/移除分组
    • random: 随机地丢弃/移除

调度策略:优先权

  • 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

调度策略:其他的

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
  • Weighted Fair Queuing (WFQ) : 每个类在每一个循环中获得不同权重的服务量
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4.3 IP :Internet Protocol

IP:Internet Protocol

IPv4数据报结构

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  • 版本(Version, 4bit
    对于IPv4,字段的值是4。

  • 首部长度(Header Length, IHL, 4bit
    首部长度说明首部有多少32位字(4字节)。一般为5,相当于5*4=20字节。

  • 服务类别(Type Of Service,8bit

  • 报文长度(Length, 16bit
    IP首部+数据部分的总长度

  • 标识(Identification, 16bit
    用于在IP层对数据报进行分片的时候,标识数据包。

  • 标志 (Flags, 3bit )

    这个3位字段用于控制和识别分片,它们是:

    • 位0:保留,必须为0;
    • 位1:禁止分片(Don’t Fragment,DF),当DF=0时才允许分片;
    • 位2:更多分片(More Fragment,MF),MF=1代表后面还有分片,MF=0 代表已经是最后一个分片。
      如果DF标志被设置为1,但路由要求必须分片报文,此报文会被丢弃。这个标志可被用于发往没有能力组装分片的主机。
      当一个报文被分片,除了最后一片外的所有分片都设置MF为1。最后一个片段具有非零片段偏移字段,将其与未分片数据包区分开,未分片的偏移字段为0。
  • 分片偏移 (Fragment Offset, 13bit
    这个13位字段指明了每个分片相对于原始报文开头的偏移量,以8字节作单位。

  • 存活时间(Time To Live,TTL, 8bit
    本数据报的TTL.

  • 协议 (Protocol, 8bit
    1—-icmp, 2—-igmp, 6—-tcp, 17—-udp, 89—-ospf

  • 首部检验和 (Header Checksum, 16bit
    IP首部的校验和

  • 源IP地址(Source IP, 32bit

  • 目的IP地址(Destination IP, 32bit

IPv4数据报分片

  • 网络链路有MTU(最大传送单元)— 最大可传输的链路的帧
    • 不同的链路类型有不同的MTU
  • 如果IP数据报 > MTU ,则分片,到目的地后再重组
  • IP头部字段用来标记

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IP数据报分片示例

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  • 本来要发送 4000 byte 的数据报(head部分 + data部分)

  • 链路的 MTU = 1500 bytes

  • 需要将数据分为3片来发送

  • length:片长度,包括了 20 bytes IP首部部分,最大为MTU

    • length为1500的数据报,实际包含 1500−20=1480 bytes1500−20=1480 ����� 的data部分
    • 最后一片的length为 (4000−20)−1480×2+20=1040(4000−20)−1480×2+20=1040
  • fragflag
    

    :3 bits

    • 第二个bit为 DF(Don’t Flag):为0则该数据报分片,为1则不分片
    • 第三个bit为 MF:为0则后面没有片了,为1则后面还有片
    • 前两片为 1(001),表示该IP数据报分片,且后面还有片
    • 最后一片为 0(000),表示该IP数据报分片,后面没片(即最后一片)
  • offset
    

    :data部分偏移量,以 8 bytes 为单位,只计算data部分

    • 第一片的offset为 0
    • 第二片的offset为 1480 bytes/8 bytes=1851480 �����/8 �����=185

IPv4编址

概述
  • IP地址:32位、主机和路由器接口的ID

  • 接口

    (interface):主机/路由器 和 物理链接 之间的连接

    • 路由器一般有多个接口
    • 主机一般有1到2个接口
  • 每个接口都有一个对应的IP地址

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接口连接方式

  • 通过路由器连接
  • 有线以太网通过以太网交换机连接
  • 无线网络通过WiFi基站连接
子网(Subnet)

IP地址

  • 网络部分 —— 高位
  • 主机部分 —— 低位

子网

  • 子网部分相同
  • 可以不通过路由器到达彼此

把路由器去掉,剩下的每个区域都是一个子网。

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上图中有6个子网。

分类编制(Classful Addressing)
  • A类
    • 网络部分前1位 —— 0
    • 网络部分 8 bits,主机部分 24 bits
    • IP地址范围:1.0.0.0127.255.255.255
  • B类
    • 网络部分前2位 —— 10
    • 网络部分 16 bits,主机部分 16 bits
    • IP地址范围:128.0.0.0191.255.255.255
  • C类
    • 网络部分前3位 —— 110
    • 网络部分 24 bits,主机部分 8 bits
    • IP地址范围:192.0.0.0223.255.255.255
  • D类
    • 前4位 —— 1110
    • 用于多播地址
  • E类
    • 前4位 —— 1111
    • 被留作将来使用

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子网掩码(subnet mask)
  • IP地址采用点分十进制:例如 192.32.216.9
  • 分类编制导致了地址资源的浪费
  • 子网和子网掩码:可以减小地址资源的浪费

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200.23.16.64/27中的27网络部分+子网部分 的位数

  • 子网掩码
    • 网络部分+子网部分 置1
    • 主机部分 置0
  • 子网的网络ID
    • 网络部分+子网部分 不变
    • 主机部分 置0
CIDR:无类的域间路由(Classless InterDomain Routing)
  • IP分为两个部分 —— 子网部分 + 主机部分
  • 子网部分可以是任意长度
  • 地址格式:a.b.c.d / x,其中x是子网部分位数
  • 网络部分称为前缀(prefix)
如何获取IP地址
主机如何获取IP地址

主机获取IP地址:

  • 硬编码:自己设置静态的IP设置
  • DHCP:动态主机配置(Dynamic Host Configuration Protocol)
      当主机连接网络时,允许主机从网络服务器动态获取IP地址。
DHCP
  • 即插即用
  • 可以更新IP
  • 地址重用:主机的IP只有在上线时才固定,下线即释放
  • 支持移动用户

当一台主机加入网络时,从子网中的DHCP服务器获取IP地址。

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网络如何获取IP地址

从ISP处获取分配的IP地址。

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ISP如何获取IP地址

ISP从ICANN组织获取IP地址

ICANN:Internet Corporation for Assigned Names and Numbers

  • 分配地址
  • 管理DNS
  • 分配域名、解决争议
NAT:网络地址转换(Network Address Translation)
  • 从这个本地网络出去的报文都有着:相同的源IP+不同的端口号
  • 对于外界网络来说,这个本地网络都是一个IP
    • 本地网络有内部地址,改变该内部地址不需要通知外部网络
    • 改变ISP不需要改变本地网络的内部地址
    • 内部地址在外部不可见(保障安全性)
  • 实现方式
    • 发送出去的报文:(源IP(内部的IP),端口号)—> (NAT IP(NAT统一的IP),新端口号)
      • 外部发来的报文的目的地址填写:(NAT IP(NAT统一的IP),新端口号)
    • NAT转换表:记住(源IP(内部的IP),端口号)<—> (NAT IP(NAT统一的IP),新端口号)的转换对
    • 收到的报文:根据NAT转换表,(NAT IP(NAT统一的IP),新端口号)—> (源IP(内部的IP),端口号)

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  • 外部不知道内部的情况,所以外部不能发起通信
  • 预留给内部的IP地址:
    • 10.0.0.0~10.255.255.255(A类)
    • 176.16.0.0~172.31.255.255(B类)
    • 192.168.0.0~192.168.255.255(C类)
  • 可以有16bit的主机地址位(10.0.0.0~10.255.255.255),一个NAT支持内部60000+的连接
  • NAT存在争议
    • 路由器本来是在第3层,但NAT修改了端口号,而端口号包含在TCP/UDP的段结构里,即改了第4层的内容
    • 违反了端到端
    • 所以用IPv6来解决地址短缺
ICMP:因特网控制消息协议(Internet Control Message Protocol)
ICMP
  • 主机、路由器、网关来交流网络层信息
    • 报错:到达不了主机、网络、端口、协议等等
    • 用于探测:echo request/reply(使用ping)
  • IP的一部分,但体系结构在IP之上:ICMP消息搭载在IP数据报上
  • ICMP消息:type,code,引发错误的IP数据报首部和前8个字节
Type Code description 描述
0 0 echo reply (ping) echo响应 (被程序ping使用)
3 0 dest. network unreachable 目标网络不可达
3 1 dest host unreachable 目标主机不可达
3 2 dest protocol unreachable 目标协议不可达
3 3 dest port unreachable 目标端口不可达
3 6 dest network unknown 未知的目标网络
3 7 dest host unknown 未知的目标主机
4 0 source quench (congestion control - not used) 源端关闭(拥塞控制)
8 0 echo request (ping) Echo请求
9 0 route advertisement 路由通告
10 0 router discovery 路由器的发现/选择/请求
11 0 TTL expired TTL 超时
12 0 bad IP header IP 报首部参数错误
  • ICMP是管控制的IP的“兄弟”
  • ICMP被IP使用,同时作为网络层协议使用IP
  • ping、traceroute、path MTU discovery 都使用到了ICMP
    • ping:使用 ICMP Echo request/repley msgs
    • path MTU discovery
      • 发送一个大的IP数据报,该数据报的 don’t fragment 置 1(即不分片)
      • 减小数据报大小,直至成功(成功标志:没有接收到返回的ICMP消息)
Traceroute

Traceroute程序:跟踪从一台主机到其他主机之间的路由,用ICMP报文实现。

  • 源发送一系列 UDP报文段 到目的
    • 第一个数据报 TTL=1,第二个数据报 TTL=2,以此类推
    • 使用不常见的端口号
  • 当第n个数据报到达第n台主机时
    • 这个第n个数据报TTL刚好过期
    • 路由器丢弃该数据报
    • 路由器发送一个ICMP告警报文(type 11,code 0)给源
    • 该ICMP告警报文包括第n台路由器名字及其IP
  • 当该ICMP报文返回到源主机,源主机计算RTT(往返时延),得到第n台路由器名字及其IP
  • 标准的Traceroute程序用相同的TTL发送3个一组的分组,输出对每个TTL提供3个结果
  • 停止条件步骤
    • UDP数据报到达目的主机
    • 目的主机返回 ICMP端口不可到达报文(type 3,code 3)
    • 源主机接收到该ICMP报文,则停止

在Mac上可在app“系统信息”中的窗口->网络实用工具中使用Ping、Traceroute等工具。

IPv6

  • 动机
    • 初动机:解决32位IP地址空间分配完的问题
    • 更快处理/转发的头部格式
    • 头部支持QoS
  • IPv6数据报格式
    • 固定长度的头部:40 byte (IPv4头部长度不固定)
    • 不允许分片
IPv6数据报结构

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  • 版本(Version, 4 bit
    对于IPv6,字段的值是6(0110)。

  • 流量类型(Traffic class,8 bit
    用来标识对应IPv6的通信流类别,类似于IPv4中的ToS。

  • 流标签(Flow label,20 bit
    用来标记报文的数据流类型,以便在网络层区分不同的报文。

  • 有效载荷长度(Payload length,16 bit
    给出了IPv6数据报中跟在定长的40 byte数据报头部后面的字节数量。

  • 下一个头部(Next Header,8 bit
    该字段标识数据报中的内容(数据字段)需要交付给哪个协议(如TCP或UDP)。无扩展的头部,Next Header指向TCP/UDP;有扩展的头部,Next Header指向的下一个头部比如路由选择。与IPv4头部 协议(Protocol)字段相同。
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  • 跳段数限制(Hop limit,8 bit

    生存时间,相当于IPv4中的TTL。转发数据报的每台路由器讲对该字段内容 -1,如果跳转限制计数到0时,则丢弃该数据报

  • 源IP地址(Source Address,128 bit

  • 目的IP地址(Destination Address,128 bit

  • 数据(Data)

IPv6相较于IPv4的部分改变
  • 去除Checksum:加快了转发速度

  • Options:依旧允许可选项,但是不放在头部,而是放在 Next Header 指出的位置上

  • ICMPv6

    :ICMP的IPv6版本

    • 增加新的 type:比如“Packet Too Big”
    • 包含多播组管理
IPv6地址
  • 三种类型:单播(unicast)、多播(multicast)、任意播(anycast)

  • 冒号划分的十六进制(128 bit)

    eg. 68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF

  • 0的压缩

    用双冒号::表示一组0或多组连续的0,但只能出现一次。

    • FF05:0:0:0:0:0:0:B3 = FF05::B3
    • 0:0:0:0:0:0:128.10.2.1 = ::128.10.2.1(IPv4和IPv6兼容的IP)
    • 12AB:0:0:CD30:0:0:0:0 = 12AB::CD30:0:0:0:0 = 12AB:0:0:CD30::(如果出现两个多个0,随意压一个都行)
单播(Unicast address)

单播的地址格式(一共 128 bit):

  • 全球路由前缀(Global routing prefix,48 bit

    前3位为001,分配给公司和组织。

  • 子网ID(Subnet ID,16 bit

    如果是小公司,只需要1个子网的话,全设为0

  • 接口ID(Interface ID,64 bit

    基于 EUI-64

IPv4到IPv6的迁移

  • 现在的网络既有IPv4,也有IPv6。世界上的所有网从IPv4到IPv6需要很长的转换时间。
  • 两种IPv4到IPv6的迁移
    • 双栈(Dual Stack):一些路由器可以兼容IPv4和IPv6
    • 隧道(Tunneling):当IPv6穿过IPv4的路由器上时,将IPv6作为载荷承载在IPv4上
双栈(Dual Stack)
  • 早期的设计
  • 一些路由器有双栈(IPv4 & IPv6),可以翻译这两种格式

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隧道(Tunneling)

当IPv6穿过IPv4的路由器上时,将IPv6作为载荷承载在IPv4上。就是像一个连接两个IPv6路由器的IPv4隧道

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4.4 通用转发和 SDN

传统

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  • 网络层功能: 转发:对于从某个端口 到来的分组转发到合适的 输出端口 路由:决定分组从源端 到目标端的路径 路由算法
  • 类比: 旅行  转发:一个多岔路口的 进入和转出过程  路由:规划从源到目标 的旅行路径
    每个路由器上都有实现路由算法元件(它们之间需要相互交 互)- 形成传统IP实现方式的控制平面
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  • 路由器的网络层功能:
    • IP转发:对于到来的分组按照路由表决定如何转发,数 据平面
  • 路由:决定路径,计算路由表;处在控制平面

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。
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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

优点

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
集中式实现控制逻辑,网络管理容易
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

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通用转发和SDN OpenFlow数据平面抽象 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

一种网络通信协议,应用于SDN架构中控制器和转发器之间的通信。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-434403.html

  • 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: 将分组头部字段和流表进行匹配
    • 行动: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
      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 )

OpenFlow抽象

  •  match+action: 统一化各种网络设备提供的功能
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    计算机网络 WireShark 实验记录可供参考 1:What is the IP address and TCP port number used by the client computer (source) that is transferring the file to gaia.cs.umass.edu? To answer this question, it’s probably easiest to select an HTTP message and explore the details of the TCP packet used to carry this HTTP message, using the “details of

    2023年04月15日
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  • 《计算机网络:自顶向下方法》第五章--网络层:控制平面

    控制平面作为一种网络范围的逻辑,不仅控制沿着从源主机到目的主机的端到端路径间的路由器如何转发数据报,而且控制网络层组件和服务如何配置和管理 传统上,控制平面功能与数据平面的转发功能在一起实现,在路由器中作为统一的整体 在网络层:数据平面中有转发

    2024年02月12日
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  • 计算机网络——自顶向下方法(第四章学习记录)

    本章学习网络层:数据平面 前一章中我们学习了运输层依赖于网络层的主机到主机的通信服务,提供了各种形式的进程到进程的通信。在本章中我们将看到与运输层和应用层不同的是,在网络中的每一台主机和路由器中都有一个网络层部分。 网络层能够被分解为两个相互作

    2024年02月11日
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  • 计算机网络——自顶向下方法(第二章学习记录)

    本章学习应用层 网络应用是计算机网络存在的理由。 现代网络应用程序有两种主流体系结构:客户—服务器体系结构和对等(P2P)体系结构 客户—服务器体系结构 (client-server ),在这个结构中,有一个总是打开的主机称为服务器,它服务于来自许多其他称为客户的主机的请求

    2024年02月09日
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  • 计算机网络——自顶向下方法(第一章学习记录)

    可以从两个不同的方面来理解Internet。(它的构成。它的服务) 1.因特网的主要构成          处在因特网的边缘部分就是在因特网上的所有主机,这些主机又称为 端系统 (end system),端系统通过 因特网服务提供商 (Internet Service Provider,ISP)接入因特网,端系统通过 通信

    2024年02月10日
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  • 计算机网络——自顶向下方法(第三章学习记录)

    本章学习运输层 运输层位于应用层和网络层之间,是分层的网络体系的重要部分,该层为运行在不同主机上的应用进程提供直接的通信服务起着至关重要的作用。 运输层协议为运行在不同主机上的应用进程之间提供了 逻辑通信 (logic communication)功能。从应用程序的角度看,通

    2024年02月11日
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  • 《计算机网络--自顶向下方法》第四章--网络层:数据平面

    每台路由器的数据平面的主要作用是从其输入链路向其输出链路转发数据报 ;控制平面的主要作用是协调这些本地路由器转发动作,使得数据报沿着源和目的地主机之间的路由器路径进行端到端传送 路由器具有截断的协议栈,即没有网络层之上的部分,因为 路由器不运行应

    2024年02月12日
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  • 《计算机网络——自顶向下方法》精炼——1.4到1.7

    三更灯火五更鸡,努力学习永不止。无惧困难与挑战,砥砺前行向成功。 计算机网络在这一学科中的重要性毋庸置疑,而黑皮书又是这一学科的教科书级经典,因此本书是计算机从业者的必读书之一。笔者用一个专栏来精炼这本书的知识,帮助想了解这方面知识的同学快速打

    2023年04月15日
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