# Chap4 网络层——数据平面

# 4.1 网络层概览

数据平面中，路由器的首要任务是将数据报从输入链路转发到输出链路；

控制平面中，路由器的首要任务是协调局部的路由器的转发行为，确保数据报最终到达

输出队列（满了会丢包，使用Random Early Detection算法进行主动的队列管理）
缓存设置
- 双刃剑：较大的缓存能吸收短期的流量波动，降低丢包率，但会增加端到端延迟（bufferbloat现象）
- 经验公式：，其中， $B$ 代表缓存大小，代表平均往返时间， $C$ 代表链路容量， $N$ 代表独立TCP流的数量（2004）
数据包调度（以何种方式发送输出队列中的数据包）
- FIFO
- Priority Queuing（深色的高优先级）
- Weighted Fair Queuing（深浅代表两类）

Version number：IP协议的版本，路由器根据其处理剩余的数据报内容
Header Length：因为Options的存在，需要说明头部长度以决定数据的起始位置，无options时，通常是20字节长
Type of service：区分不同类型的数据报
Datagram length：IP数据报（header+data）总字节数，此字段16比特，故IP数据报最大大小是65535字节，然而实际上，IP数据报一般小于1500字节，以适应以太网帧的大小
Identifier，flags，fragmentation offset：用于标示一个大的数据报被拆分成若干小数据报的组装工作，IPv6不支持了
Time to live：若TTL到达0，则路由器会丢弃这个数据报，确保数据报不会在网络中一直循环
Protocol：当数据报到达目的地时，接收方会根据这个字段决定将数据交给哪个传输层协议去解析，如6代表TCP，17代表UDP，更多可能值，查看IANA Protocol Numbers 2016
Header checksum：协助路由器检测IP数据报中的比特错误，若出错，则丢弃；注意每个路由器会因为TTL的变化，重新算一个checksum，一种快速算checksum的算法参考RFC 1071
Source and destination IP address
Options：IPv4中有，IPv6中没有
Data：传输层报文，或者其他类型数据，如ICMP信息

IPv4地址长度为4字节，32个比特，故理论上有个IP地址（约40亿）
每个主机和路由器的每个link都具有IP地址
互联网地址分配策略（Classless Interdomain Routing，CIDR，RFC4632），贯彻了子网的概念，将32位地址划分成前后两部分 a.b.c.d/x，其中，x代表前面一部分的位数，这样，就能形成层次化的消息传递机制

IP地址中，255.255.255.255用于广播，数据包会发送给子网里的每一个用户，路由器选择性将此信息外发到相邻子网
IP地址的块分配（分给ISP们）和DNS根服务器是由Internet Corporation for Assigned Names and Numbers，ICANN组织管理的，遵守RFC 7020中的规定
IP地址的单机分配一般使用Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP，[RFC2131]。DHCP会进行动态IP分配，并告知主机一些额外信息，如子网掩码，首个接入路由器的地址，本地DNS服务器IP。DHCP是一个零配置的协议，即插即用

对于新入网的主机，DHCP协议的执行主要分为以下四步
- 1、DHCP服务发现：入网主机发送广播，使用UDP发DHCP discover message数据包到67端口
- 2、DHCP服务应答：DHCP服务器收到该信息后，广播一个DHCP offer message数据包，里面包含与discover包中相同的transaction ID，以及Lifetime（IP地址的有效时间，一般设为几个小时或几天）
- 3、DHCP请求：入网主机会从单个或多个DHCP服务应答中选择一个，并朝那个DHCP服务器发送DHCP请求，包含该DHCP服务应答的配置信息
- 4、DHCP应答：DHCP服务器会发送一个DHCP应答信息给入网主机

支持NAT的路由器是一个子网对外的接口，使用相同的IP地址对外发出请求，NAT翻译表中，将广域网的IP地址+端口和局域网的IP地址+端口形成一一映射。这样，能使不同子网间可能存在相同的IP地址，从而节省IP地址资源，且不影响正常工作。
外网的机器如何连接一个躲在NAT服务器后面的主机（不知道其IP）呢？技术方案是使用NAT穿透工具，参见RFC5389

IPV4地址面临用尽的危机，故发展IPv6，RFC2460；（有过IPv5，但被放弃了）
IPv6数据报格式
- Version：4比特，IP版本标识号，IPv6是6
- Traffic Class：8比特，设置流里的数据报优先级
- Flow label：20比特，流标签，如音视频可被视作一个流，而文件传输则不被视为一个流
- Payload length：16比特，unsigned int，表示Data的字节数
- Next header：交付给什么上层协议解析（如TCP、UDP）
- Hop limit：允许最大跳数，经过一个路由器就减1，到0就被丢包
- Source/Destination Address：地址表示位数从32bit上升到128bit，且增加了一种新类型地址，叫做anycast address，允许一个数据报传递给任意一组主机
IPv6的改动
- 不再支持大数据报的切割和组装
- 不设置校验和（TCP等上层协议已经有校验机制，且能避免每个路由器更新TTL带来的校验和计算耗时）
- 删除了options字段，固定40字节的包头，使得路由器的处理更快速
IPv4到IPv6的迁移
- 主流方法是使用隧道【RFC 4213】，如下图所示，将整个IPv6数据报当成IPv4数据报的payload进行传输，并将IPv4的协议编号设为41【RFC 4213】