计算机网络 网络层(下) 慕课学习笔记

5.14 链路状态路由选择

链路状态路由(LS)基本原理：

1. 发现 它的邻居节点，了解它们的网络地址（发送hello报文）
2. 设置 到它的每个邻居的成本度量
3. 构造 一个分组LSP，包含它所了解到的上述所有信息
4. 发送 这个分组给所有其他的路由器（这一步非常重要）
5. 计算 基于完整的网络图，计算到每个目标的最短路径

开销/量度/代价：自动发现设置或人工配置
常见量度：链路带宽（反比）

延迟亦可作为量度
发送一个特别的ECH0分组，另一端立刻回送一个应答
通过测量往返时间RTT，可以获得一个合理的延迟估计值
可多次测量，取平均值

一个链路状态分组/公告(LSP/LSA)包含：

1. 发送方的标识（自己）
2. 序列号（Seq.）
3. 年龄（Age）
4. 邻居列表
5. 到邻居的成本/量度

发送LSP/LSA：
每个LSP分组都包含一个序列号，递增
路由器记录下它所看见的所有(源路由器、序列号)对
当一个的新的分组到达时，路由器根据记录判断:
》如果该分组是新的，就被泛洪广播（序列号不在表中，转发到除了来的线路以外的所有线路）
》如果是重复分组，即旧的被丢弃(系列号相等，喜新厌旧)
》如果是过时分组，则被拒绝（序列号比对应源路由器发送的曾经到过的序列号还小）

序列号回转问题（比如两位二进制表示：00->01->10->11->00…）
这个问题会导致路由器无法甄别哪个是新的，哪个是旧的
解决办法：
使用32-bit长的序列号

解决路由器崩溃，序列号损坏问题
每一个分组的序列号之后加一个年龄age
》每过一秒，age-1
》age=0，丢掉对应的LSP
还有一种解决办法：
》LSP/LSA不直接分发，首先放到保留区
》新到达的LSP/LSA会和保留区中的比较
路由器空闲时，扫描保留区，以选择LSP/LSA进行确认或转发，以保证获得所有的分组。

分发完全，构造出全网图
每个路由器，采用最短路径算法，遍历图
计算结果：生成树/汇集树
根据树，生成路由表

链路状态路由(LS)的优缺点

5.15 单区域OSPF

OSPF:开放的最短路径优先
链路状态路由的典型实例

OSPF特点：
》可以在大型网络中使用
》无路由自环
》支持VLSM、CIDR等
》使用带宽作为度量值（10^8/BW）
》收敛速度块
》通过分区实现高效的网络管理

重要术语：
》RouterID：32位，自治系统内唯一
》协议号：89
》TTL=1：通常OSPF只传给邻居路由器

OSPF使用的代价是带宽，计算时用10^8/带宽

OSPF的五种分组类型：

OSPF运行的五步：
》建立路由器毗邻关系（最重要，两台建立了全毗邻关系的路由器，LSP数据库完全一致。）
》选举DR和BDR
》发现路由
》选择最佳路由
》维护路由信息

DR的选举过程类似于村长的选举：

5.16无类域间路由CIDR

IP主要面临两大问题
(1)分类造成了数百万个地址浪费
》A类地址网络: 16M个 地址(太大)
》C类地址网络: 256个地址(太小)
》B类地址网络: 65, 536个地址(够用)
(2)路由表膨胀
》早期网络数不多， 现在网络数超过百万

CIDR缓解了地址枯竭的趋势，尤其是缓解了B类地址枯竭的趋势，控制甚至缩减了路由表的开销
CIDR的基本思想描述在RFC1519中
&分配地址方法:按需分配
&实例:用户需要2000个IP地址
》CIDR之前:分一个B类地址（65000多个）
》CIDR之后:分一个块地址x. x. x. x/21（21位网络位，11位主机位）
2^11-2=2046>2000

有了CIDR后，路由表必须扩展（增加一个32位的子网掩码）：
每一个路由表有一个三元组：
》目的IP地址
》子网掩码
》输出线路

IP地址聚合的关键：确定IP地址中固定不变的网络位数
聚合结果：超网
聚合的前提条件
》子网构成的地址空间是连续的
》下一跳相同
聚合的另一个好处:隔离了路由翻动
RTA下的某条具体路由的Down/Up状态不会影响到汇总后的路由状态

5.17网络地址翻译NAT

NAT是一个IP地址耗尽的快速修补方案，在RFC3022中有所描述
NAT：私有IP地址和公有IP地址之间的转换
PAT（超载）：多个私有IP地址和一个公有IP地址之间的转换

内部网络使用私人地址;当内网需要和外网通信的时候，私人地址转换成合法的global的IP地址
NAT转换器（NAT Box）的位置和功能：
》由NAT转换器完成私人地址和公有地址的转换;并且维护一个地址转换表。
》当有外网的分组到达时，NAT转换器查找地址转换表，转换分组目标地址之后，转发该分组到内网。
》NAT转换器可以是一个专用的服务器，也可以运行在内网的边界路由器上，也可以在家用路由器（AP）上。

NAT工作原理：

5.18互联网控制消息协议ICMP

》向源报告错误
》测试网络：ping、tracert

ICMP应用：

ping时，源机将向目的站点发送一个ICMP回声请求报文
目的站点接收到，必须向源站点发回一个ICMP回声应答报文
源站点收到应答报文，则判断目的站点是可达的，否则为不可达

测试TCP/IP是否正常工作 ping 127.0.0.1
网络设备是否正常 ping 本机IP地址
检查对外连接的路由器 ping 默认网关IP
检查与某台设备的畅通情况 ping IP
检查DNS设置 ping www.scut.edu.cn
执行DNS反向查询 ping -a IP地址

tracert：可以通过ICMP超时报文来得到一张途径的路由器列表（最大30跳）

路径MTU：动态发现互联网上任意一条路径的最大传输单元的技术

一般来说，ICMP消息仅送给源机
规定：ICMP消息不生成自己的差错报告

【判断】若源机Ping目的机，发出一个回声请求，却没收到应答报文，则目的机必定不可达。

参考答案：错误

解析：不一定不可达，目的站点发送的应答报文可能丢失，因此实际上通常会多次Ping。

5.19地址解析协议ARP

封装的任务：
》添加寻址所需的信息
》比如：IP地址、MAC地址

如果发放只知道目的地址的IP地址而不知道MAC地址，就需要发送地址解析协议ARP（定义在RFC826中）
ARP是一个运行在局域网中的协议，它将目标机的IP地址映射到MAC地址上

请求机发送的ARP请求帧（MAC地址是48个1）：

目标机的ARP应答帧中有明确的目的MAC地址（单播回请求机）

优化ARP：
动态建立、更新和维护ARP表：
》应答
》ARP请求中的源IP/MAC地址信息
》免费ARP
》周期性删除过时信息

ARP请求只能发送在一个LAN中，不同LAN发送需要通过默认网关中转。（远程主机的MAC地址解析，需要用到默认网关）
主机自己的ARP表（可以用ARP工具程序进行查看，删除和增加等操作）：
》通过广播ARP请求中的源设备信息添加和更新表
》利用自己的ARP请求之应答信息来添加和更新表
》删除超过一定时限的信息

但是ARP动态更新存在安全隐患（产生各种ARP病毒）

5.20拥塞规则

拥塞：当一个子网或子网的一部分出现太多分组的时候，网络的性能急剧下降
拥塞控制的两类措施：
》开环（提前设计准备，但随着时间推移，力不从心）
》闭环

闭环建立在反馈环路的概念上
》监视系统
》传递拥塞信号
》调整运行，控制拥塞

拥塞量度（数值越大，拥塞越严重）：
》因为缺乏缓存空间而丢弃的分组百分比
》平均队列长度
》超时和重传的分组数
》平均分组延迟
》分组延迟的标准方差

解决措施 1.降低负载（拒绝服务、服务降质、绕开拥塞点）2.增加资源（增加带宽）
解决速度：

数据报子网中的流量限制方法：
》每台路由器可以监视它的输出线路和其它资源的使用情况
》每条线路和一个实变量u关联在一起，其值位于(0.0-1.0)之间
》无论何时，只要u超出了阈值，对应的线路就进入到警告状态（处于警告状态后可以抑制分组）
》每个新到达的分组都将被检查，看它的输出线路是否处于“警告状态”

抑制分组生效时间慢，逐跳抑制可以快速缓解拥塞点压力
随机早起检测（RED）：提前检测，防患于未然

负载脱落（丢弃分组）：

5.21流量整形

（减少拥塞的可能性）
漏桶算法：
》每个主机连接到网络的接口中都有一个漏桶，即一个优先长度的内部队列
》当桶中有分组的时候，输出速率是恒定的，当桶空的时候，输出速率是0
》当一个分组到达满的桶的时候，分组将被丢弃(满则溢)
》每个时钟嘀嗒（tick），仅允许一个分组或固定数量的分组发送出去

缺点：满则溢，不能大量地突发数据

令牌桶算法：
》当大量数据突发的时候，令牌桶算法允许输出加快到某种程度
》令牌桶拥有令牌(tokens) ，且以每△T秒产生一个令牌的速度往桶中注入令牌
》一个分组要发送的时候，它必须从桶中取出和获取到一个令牌
》令牌桶算法允许累积令牌，但最多可以累积n (令牌桶的容量)个令牌

与漏桶算法相比：
》令牌桶允许突发，但是最大突发受制于令牌桶容量的限制
》当桶满的时候，令牌桶算法丢掉的是令牌(不是分组)

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