计算机网络中科大 - 第4章 网络层（详细解析）

📘 第四章 网络层：数据平面（Data Plane）——完整整合优化笔记

🧠 本章核心目标

• 理解网络层服务模型（数据平面 vs 控制平面）
• 熟悉路由器的组成与数据报转发机制
• 掌握 IP 协议核心机制：数据报结构、分片、IP 编址、NAT
• 掌握 IPv6 的发展与应用
• 理解 SDN（软件定义网络）的基本架构与通用转发模型

🔹 一、网络层基础概念与服务

1. 网络层核心功能：

• 转发（Forwarding）：分组从输入端口转发至输出端口
• 路由（Routing）：决定端到端路径
• 连接建立（Connection Setup）：部分网络架构下（如ATM）先建立路径

2. 服务模型分类：

• Internet 提供“Best Effort”服务

🔹 二、数据平面与控制平面

🔹 三、路由器组成结构

1. 高层结构：

• 输入端口：解封装、查表、排队
• 交换结构：传输数据报到输出端口（有三种机制：内存交换/总线交换/交叉交换）
• 输出端口：排队、封装、发送
• 路由处理器：执行路由协议，维护路由表

2. 输入端口功能：

• 解封装 -> 查表 -> 转发决策 -> 入队
• 长前缀匹配（Longest Prefix Match）实现路由选择

3. 排队与调度机制：

• FIFO、优先权、Round Robin、WFQ（加权公平排队）

🔹 四、IP 协议详解

1. IP 数据报格式（IPv4）

• 包括版本号、头部长度、TTL、协议、源/目标IP地址、校验和、分片字段等

2. IP 分片与重组：

• 大数据报分片传输 -> 最终主机重组（靠ID、偏移量、标志位）

3. IP 地址分类与子网

• IP地址=网络号+主机号（通过子网掩码分割）
• CIDR表示法：a.b.c.d/x
• 私有地址范围：10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16

4. DHCP 动态主机配置协议：

• 主机动态获取IP地址、网关、DNS等信息
• 过程：Discover → Offer → Request → ACK

5. NAT（网络地址转换）机制：

• 将内网私有IP映射为公网IP+端口
• 优点：节省公网地址、提升安全性
• 问题：打破端到端原理，P2P连接困难

🔹 五、IPv6 协议

IPv6头部特点：

• 固定长度（40字节）
• 无校验和，提升转发效率
• 支持流标签 Flow Label，用于QoS服务
• 使用隧道机制（Tunneling）进行 IPv4 → IPv6 的过渡

🔹 六、SDN 软件定义网络与通用转发模型

1. SDN核心理念：

• 控制平面和数据平面分离
• 控制器集中式管理网络逻辑
• 网络设备仅负责匹配+动作的执行

2. OpenFlow数据平面抽象：

• Match（匹配）：基于多层字段（IP、MAC、TCP端口等）
• Action（动作）：转发、修改、丢弃、送控制器等
• Counters（计数器）：记录每条规则匹配的流量

3. SDN架构三层：

4. 优势：

• 管理灵活性：集中控制，动态编程
• 功能可扩展：易于部署新协议和功能
• 生态开放性：标准化接口促进创新

✅ 本章思维导图

• 网络层服务模型
• 路由器结构图（输入端口→交换结构→输出端口）
• IPv4分片重组过程示意
• NAT地址转换流程图
• DHCP Discover-ACK流程图
• IPv6头部结构图
• SDN架构图（北向/南向API、控制器、流表）
• OpenFlow流表匹配示例图