计算机网络知识点整理(5)：网络层之控制平面

这是SJTU-CS3611《计算机网络》课程的知识点整理系列。本文整理部分为“第5章：网络层之控制平面”。

5.1 概述

• 网络层功能：转发（数据平面）、路由（控制平面）
• 构建网络控制平面的方法：
  • 每路由器控制（传统方法）：每台路由器中的独立路由选择组件在控制平面中交互，以计算其转发表的值
  • 逻辑集中式控制（SDN）：远程控制器与路由器中的控制代理（CA）交互，计算并在路由器中安装转发表

5.2 路由选择算法

5.2.1 路由算法的分类

• 集中式 vs 分布式：
  • 集中式路由选择算法：具有拓扑和链路开销的全局状态信息，又称链路状态（LS）算法
  • 分布式路由选择算法：没有节点拥有网络的完整信息，迭代计算过程并与相邻节点交换信息，如距离向量（DV）算法
• 静态 vs 动态：
  • 静态路由选择算法：路由随时间变化缓慢，通常人工调整
  • 动态路由选择算法：定期更新或直接响应链路开销变化

5.2.2 链路状态路由算法

核心特点

• 集中式：每个节点广播链路状态信息，所有节点拥有相同的全局信息
• Dijkstra 算法：计算从源节点到所有其他节点的最低路径开销
• 迭代：经过 $k$ 次迭代后，得知 $k$ 个目的地的最低成本路径

算法步骤

1. 初始化集合 $N' = \{u\}$（源节点）
2. 为所有节点 $v$ 初始化距离 $D(v) = c(u,v)$（直连链路成本）
3. 循环直到 $N'$ 包含所有节点：
   1. 选择不在 $N'$ 中且 $D(w)$ 最小的节点 $w$
   2. 将 $w$ 加入 $N'$
   3. 更新 $w$ 的邻居节点 $v$ 的 $D(v) = \min(D(v), D(w) + c(w,v))$

讨论

• 算法复杂度：$O(n^2)$，$n$ 个节点（可以堆优化）
• 路由振荡：链路成本取决于流量，解决方法是异步算法或随机通告

5.2.3 距离向量路由算法

核心特点

• 分布式：从邻居接收信息，执行计算后将结果分发给邻居
• 迭代：过程持续到邻居之间无更多信息交换（自停止）
• 异步：所有节点不要求步伐一致地操作
• Bellman-Ford 方程：$D_x(y) = \min_v\{c(x,v) + D_v(y)\}$

算法流程

1. 节点不时地向邻居发送自己的距离向量
2. 直接相连的链路开销变化 / 收到邻居的更新时，更新本地距离向量（Bellman-Ford 方程）
3. 若本地距离向量变化，通知所有邻居

• 距离向量：某节点到所有其他节点的开销估计向量
• 收敛性：估计值能收敛到实际最低开销

缺点

• 交换的路径信息量大
• 路径信息不一致
• 收敛速度慢（坏消息）
• 不适合大型网络

问题与解决

• 路由选择环路：好消息传播得快，坏消息传播得慢（无穷计数问题）
• 毒性逆转：对上游节点，通告距离无穷大

5.2.4 LS 与 DV 算法对比

特性	链路状态（LS）	距离向量（DV）
计算位置	集中式（Dijkstra）	分布式（Bellman-Ford）
信息传播	全局洪泛链路状态	邻居间交换距离向量
消息复杂度	$O(\vert N\vert\vert E\vert)$ 个报文	相邻节点交换报文
收敛速度	$O(\vert N \vert^2)$	较慢且可能遇到路由环路
健壮性	仅计算自身转发表，路由计算分离	错误会在网络中扩散

5.3 自治系统内部路由：OSPF

5.3.1 自治系统（AS）

• 必要性：
  • 规模：因特网规模巨大，无法将所有目的地存储在路由表中
  • 管理自治：ISP 希望管理控制自身网络中的路由
• 组成：一组处在相同管理控制下的路由器

5.3.2 OSPF（开放最短路优先）

• 链路状态协议
• 应用场景：自治系统内部路由选择

工作方式

• 每个路由器将链路状态信息洪泛到 AS 内所有路由器
  • OSPF 链路状态通告直接由 IP 承载
• 每个路由器拥有完整拓扑，使用 Dijkstra 算法计算转发表
• 各条链路开销由网络管理员配置

优点

• 安全性：能够鉴别 OSPF 路由器之间的交换（MD5），防止恶意入侵
• 支持 AS 内的层次结构：划分为局域网和骨干网，链路状态仅在区域内广播
• 允许使用多条相同开销的路径
• 支持单播和多播路由

5.4 自治系统间路由：BGP

• 分布式、异步的协议，是一种距离向量协议

5.4.1 BGP（边界网关协议） 的作用

• 应用场景：自治系统间路由选择
• 核心作用：
  • 从邻居 AS 获得前缀的可达性信息
    • 允许每个子网向互联网的其余部分通告它的存在
  • 确定到该前缀的“最好的”路由

5.4.2 BGP 路由信息通告

• 核心概念：
  • 网关路由器：位于 AS 边缘的路由器
  • 内部路由器：仅连接同一 AS 中主机和路由器
  • BGP 会话：两个 BGP 路由器通过半永久的 TCP 连接交换路由消息
  • 外部 BGP (eBGP) 连接：跨越两个 AS 的 BGP 连接
  • 内部 BGP (iBGP) 连接：相同 AS 中的两台路由器之间的 BGP 会话
• 使用 iBGP 和 eBGP 对话，传播可达性信息

5.4.3 确定最好的路由

• BGP 通告的路由：目的地前缀 + 属性

• 两个重要属性：

  • AS-PATH：通告已经经过的 AS 列表
  • NEXT-HOP：下一跳路由器（不属于当前 AS）接口的 IP 地址

• 热土豆路由选择：选择到 NEXT-HOP 路由器开销最小的路由

  • 即选择具有最小 AS 内开销的本地网关

• 路由选择算法：（优先级由高到低）

  1. 选择具有最高本地偏好值（策略决定）的路由
  2. 选择具有最短 AS-PATH 的路由
  3. 选择具有最靠近 NEXT-HOP 路由器的路由（热土豆）
  4. 使用 BGP 标识符选择路由

5.4.4 IP 任播

• 应用场景：将用户指向具有复制内容的最近的服务器，常用于 DNS
• 实现方式：多台服务器指派相同的 IP 地址，并用 BGP 通告该 IP 地址

5.4.5 路由选择策略

• 通过通告实现策略控制：ISP 仅希望路由进出其客户网络的流量

5.5 SDN 控制平面

5.5.1 概述

• 总体架构：
  • 数据平面：分组交换机执行“匹配加动作”规则
  • 控制平面：SDN 控制器 + 网络控制应用程序
• 关键特征：
  • 基于流的转发（基于不同首部字段进行转发）
  • 数据平面与控制平面分离
  • 网络控制功能
  • 可编程的网络
• 好处：
  • 更简单的网络管理：避免路由器配置错误，流量调度更灵活
  • 基于表的转发允许编程路由器：集中式编程更简单
  • 控制平面的开放实现：促进创新

5.5.2 SDN 控制器层次结构

• 通信层：控制器与受控网络设备之间的通信（南向 API，如 OpenFlow）
• 网络范围状态管理层：管理全网状态，如链路、主机、交换机状态及流表等
• 对于网络控制应用程序层的接口：与网络控制应用程序交互（北向 API）
• SDN 控制器在逻辑上集中，但采用分布式系统实现，具有高性能、可扩展性和鲁棒性

5.5.3 OpenFlow 协议

• 在 SDN 控制器和交换机之间运行，基于 TCP 协议
• 从控制器流向交换机的报文：配置、修改状态、读状态、发送分组
• 从交换机流向控制器的报文：流删除、端口状态、分组入

5.6 ICMP（互联网控制报文协议）

• 作用：主机和路由器用于交换网络层信息，如
  • 差错报告：目的网络不可达等
  • 回显请求与应答：由 ping 使用
• 网络层协议：是 IP 的一部分，但 ICMP 报文封装在 IP 数据报中
• ICMP 报文：类型 + 编码 + 引发错误的 IP 数据报的首部及前 8 个字节
• Traceroute 程序：跟踪到任意一台主机之间的路由
  • 源主机向目的主机发送一系列 UDP 报文段，TTL 依次加 1
  • 当 TTL 减为 0，路由器丢弃该数据报并发送 ICMP 报文给源主机
  • UDP 报文段最终到达目的主机，目的主机返回“端口不可达”的 ICMP 报文

5.7 网络管理

5.7.1 网络管理框架

• 组成部分：
  • 管理服务器：应用程序，需要网络管理员参与
  • 被管设备：具有可管理、可配置的软硬件组件
  • 数据：即设备状态，包括配置数据、运行数据、设备统计等
  • 网络管理代理：被管设备上用于与管理服务器通信的软件进程
  • 网络管理协议：运行在管理服务器和被管设备之间
• 管理方式：
  • CLI：直接向设备发出命令行接口命令，易出错且不易扩展
  • SNMP / MIB：通过简单网络管理协议（SNMP）查询和设置设备数据
  • NETCONF / YANG：采取更抽象、全网络和整体的观点，强调多设备配置管理

5.7.2 SNMP / MBI

SNMP（简单网络管理协议）

• 应用层协议，用于在管理服务器和代理之间传递网络管理控制和信息报文
• 两种模式：
  • 请求响应模式：用于查询或修改 MIB 对象值
  • 告警模式：用于通知管理服务器异常情况导致了 MIB 对象值改变
• SNMP 报文（PDU）：7 种类型，一般使用 UDP 传输

MIB（管理信息库）

• 作用：用于存放被管设备的设备状态数据
• 定义语言：管理信息结构（SMI）

5.7.3 NETCONF / YANG

NETCONF（Network Configuration Protocol）

• 定义：一种网络管理协议，目标是主动管理和配置全网设备
• 核心功能：
  • 配置管理：检索、设置、修改设备配置数据
  • 原子操作：支持跨多设备的原子提交
  • 数据查询：查询被管设备的运行数据和统计
  • 事件订阅：订阅由被管设备产生的通知
• 协议特点：
  • RPC 范式：采用远程过程调用，消息格式化为 XML 文档
  • 安全传输：通过 TLS 等安全协议进行通信
• 会话流程：
  1. 初始化：交换 <hello> 消息
  2. 交互：通过 <rpc> 执行操作，接收 <rpc-reply>
  3. 通知：被管设备发送 <notification> 报文
  4. 关闭：使用 <close-session> 终止会话

YANG（Yet Another Next Generation）

• 定义：一种数据建模语言，用于精确定义 NETCONF 使用的网络管理数据的结构、语法和语义
• 核心功能：
  • 可以从 YANG 描述生成描述设备及其功能的 XML 文档
  • 可以表达有效 NETCONF 配置必须满足的约束