计算机网络中科大 - 第5章 网络层（详细解析）

📘 第五章 网络层：控制平面（Control Plane）——完整整合优化笔记

🧠 本章目标

• 理解网络层控制平面与数据平面的区别
• 掌握路由选择算法（链路状态 & 距离向量）
• 理解自治系统内/间的路由协议（RIP、OSPF、BGP）
• 掌握SDN控制平面与OpenFlow模型
• 熟悉ICMP协议的作用与结构

🔹 一、控制平面与数据平面对比

控制平面可通过两种方式实现：

• 分布式实现（传统方式）：每台路由器独立运行路由算法
• 集中式实现（SDN方式）：集中控制器统一决策，路由器仅执行

🔹 二、路由选择算法概述

📌 路由算法的评估标准：

• 正确性、简单性、健壮性、稳定性、公平性、最优性

📊 分类：

🔹 三、链路状态路由（Link State Routing）

📍 工作流程：

1. 发现邻居（Hello 消息）
2. 测量链路代价（如延迟）
3. 生成链路状态信息包（LSA）
4. 全网泛洪传播LSA
5. 各节点运行 Dijkstra 算法构建最短路径树

💡 算法核心：Dijkstra

• 每轮选择当前路径最短的临时节点，更新其邻居路径代价
• 标记永久节点，直到所有节点都处理完
• 时间复杂度：O(n^2)，可优化为 O(n log n)

🌐 应用：OSPF、IS-IS协议

🔹 四、距离向量路由（Distance Vector Routing）

📍 工作流程：

• 每个节点保存一张路由表（目标、下一跳、代价）
• 定期与邻居交换表项（距离向量）
• 利用 Bellman-Ford 动态更新最优路径

🔁 Bellman-Ford 公式：

Dx(y) = min_v{ c(x,v) + Dv(y) }

⚠️ 问题：Count-to-Infinity

• 坏消息传得慢，引发路由环路
• 解决方法：Split Horizon、Poison Reverse

🌐 应用：RIP协议

🔹 五、自治系统内/间路由协议

✅ RIP（Routing Information Protocol）

• 使用DV算法，每条链路代价为1（最大跳数15）
• 30秒周期性通告，UDP封装
• 适合小型网络，收敛慢，不安全

✅ OSPF（Open Shortest Path First）

• 使用LS算法，Dijkstra计算最短路径
• 支持区域划分（层次化路由）、认证、安全性、QoS、多路径
• OSPF报文直接使用IP封装（而非UDP）

✅ BGP（Border Gateway Protocol）

• 互联网AS间路由标准协议（路径向量）
• eBGP用于AS之间通告，iBGP用于AS内部传播
• 每条路由 = prefix + path 属性
• 路由策略控制：AS-PATH、NEXT-HOP、本地偏好等

🔄 热土豆路由（Hot Potato）策略：

• AS优先选择离自己最近的出口网关，而非考虑路径跳数

🔹 六、SDN控制平面与OpenFlow

📌 核心思想：

• 将控制平面集中到SDN控制器，交换机只执行匹配动作
• 控制器可编程，使用OpenFlow协议控制网络行为

📐 SDN架构：

1. 数据平面：转发设备，支持流表（如OpenFlow）
2. 控制器：集中决策平台（如OpenDaylight、ONOS）
3. 应用层：实现防火墙、路由、负载均衡等功能

🔁 控制器和交换机交互协议：OpenFlow

• 流表匹配（多层字段）+ 动作（转发、丢弃、修改）
• 典型报文：Packet-In、Packet-Out、Flow-Mod、Stats-Req

🔹 七、ICMP控制消息协议

📌 功能：

• 主机/路由器之间传输网络层控制信息
• 常见用途：
  • 报错（目标不可达、TTL超时）
  • 诊断工具：ping（Echo）、traceroute（时间超限）

📐 报文结构：

ICMP 封装于 IP 数据报内，为网络层之上、IP协议之下的协议。

✅ 总结对比表