# 計算機網路 Ch04 - Network Layer: The Data Plane

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## 4.1 Overview of Network layer

* forwarding: 透過routing提供的forwarding table控制封包方向，將input轉移至正確的output。
* routing: 利用路由演算法計算路經。

### Network layer: data plane, control plane

* Data plane -> forwarding
* Control plane -> routing

#### Per-Router control plane

預先在router中安裝routing algorithm，兩兩router間獨立。


#### Software-Define Network (SDN)

router內沒有routing algorithm，全部由remote controller分配。


#### Network layer service models


## 4.2 Whats inside a router

路由器架構

### Input port

#### Longest prefix matching


router會將封包送給destination address中前置符號相同的Link。如果有兩個以上前置符號相同的話，則傳給最長的那個。

#### ternary content addressable memories (TCAMs)
存取所有的destination address在記憶體中，該元件有快速查詢之特性。

#### Input port queuing


* **Head-of-the-Line (HOL) blocking**: 從input傳送到output時被前一個檔案卡住。

### Switching fabric
有三種方式:


* **memory(記憶體)**: 需要兩次存取記憶體，速度最慢。
* **bus(匯流排)**: 速度快，但一次只能傳一個，可能會塞車。
* **crossbar(交叉匯流排)**: 速度快，可平行傳輸。還可以分割檔案交由不同的匯流排傳送。

### Output port


* **buffering**: 傳輸進來的檔案如果太多時，link layer來不及處理，會先放在queue中等待。
* **scheduling**: 依照檔案類型，分配傳輸的優先度。像: 影音類的優先度要高，文字類的優先度低，但也會產生不公平的問題。

#### Output port queueing


一樣會發生data loss。

buffer大小:  (C：link layer容量，N：資料量)

#### Scheduling mechanisms
##### FIFO (first in first out) scheduling

就和一般的queue一樣，先進來的先處理。

當queue滿了的時候，對於遺失封包有三種刪除方式(discard policy):
* **tail drop**: 刪除最後來的封包
* **priority**: 刪除優先度低的封包
* **random**: 刪除隨機的封包，這樣的好處是，傳越多封包的process，越容易被刪除。

##### priority scheduling


一個高優先度queue(紅色)，一個低優先度queue(綠色)。當高優先度還有封包時，絕對不會送低優先度的封包。但是低優先度封包在運送過程中，並不會被高優先的封包打斷。

##### Round Robin (RR) scheduling


兩個queue輪流送，紅綠紅綠紅綠...這樣，如果其中一邊沒了就只送另一邊的封包。

##### Weighted Fair Queuing (WFQ)


通用版的RR。
對每個queue加上權重，權重大的一次可以傳較多封包，因此傳送量可以比較大。

## 4.3 IP: Internet Protoco
### IP datagram format


> IP header = 20 bytes
> TCP header = 20 bytes
> 20 + 20 = 40 bytes(最小封包大小)

### IP fragmentation, reassembly
**MTU(max transfer size)**：最大運輸量，每個連結的MTU都不一樣。


封包長度如果超過MTU，就會被切割成小封包。
只會在終端機重組(reassembly)。


4000的封包被切分為1500、1500、1040
* **length**：封包總長度，length - 20 bytes(IP header)才是資料長度。
* **ID**：辨識碼，分辨是否來自同一份檔案。
* **fragflag**：最後一個封包時，fragflag等於0。
* **offset**：資料的第一個byte / 8 = offset。

### IPv4 addressing

#### Subnets

將router拿走後還是相連的就是subnet。


路由器和路由器間也是一個subnet。


#### CIDR: Classless Inter Domain Routing
address format: a.b.c.d/x, where x is # bits in subnet portion of address.


使用者可以更彈性的設定host IP所需要的長度。

* subnet part - high order bits(前面x個bits)
* host part - low order bits(後面的32-x個bits)

#### DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol
讓新加入網路的client順利取得IP address。

* **DHCP discover (optional):** client廣播尋找附近的DHCP server。
* **DHCP offer (optional):** DHCP server指派IP給client。
* **DHCP request:** client廣播告知其他DHCP server已經取得IP的消息。
* **DHCP ack:** 其他DHCP server回收指派的IP，並傳送確認訊息。

如果client曾經連線過，因為有上次DHCP server的IP紀錄，所以前兩個步驟可省略。



##### how to get one?

ISP會把host part往下切更細，分配給底下的host。

例子:
> ISP的host part = 32 - 20 = 12 bytes，可紀錄2^12^
> 因為底下有8個host，所以2^12^ / 2^3^ = 2^9^
> 每個Host的subnet part = 32 - 9 = 23 bytes

##### route aggregation


為了避免訊息量過大，ISP只傳送自己的IP address作為代表，因為前20bit prefix每個host都一樣，所以網路上還是找的到。

如果有Host換ISP了，會出現兩個相關的IP address。這時router會優先選擇subnet part比較長的ISP(回想一下Longest prefix matching)，找到正確的host。

##### ICANN: Internet Corporation for Assigned
決定ISP IP address和DNS的組織。

### NAT: network address translation


1. **outgoing datagrams**：從內往外送的封包，經過NAT時將 **source IP&port** 轉成 **NAT IP&指定port**。
2. **remember (in NAT translation table)**：將內網IP和外網IP建立對應表。
3. **incoming datagrams**：從外往內送的封包，經過NAT時將 **destanation IP&port** 轉回 **內網 IP&port**。

#### 優點
* 節省IP
* 內網和外部獨立，兩邊互不干擾
* NAT看到private IP就直接刪除封包，加強內網的安全性

#### 缺點
* 因為用port區分內網IP，最多只能有60,000個連線
* 修改傳輸層的header，違反網路層的規範
* 外網不容易對指定內網發出請求，難度反而提高

### IPv6
#### 動機
* 32-bits IP不夠用
* router處理太多事情

#### IPv6 datagram format


* **priority**：優先度，相同flow才看優先度
* **flow label**：使用者自行定義
* **next header**：紀錄option資料位置

#### 和IPv4的差異
* source & destanation address -> 128 bits (非常多，有生之年應該是用不完的)
* 刪除checkSum
* 刪除option，改成 "Next Header" 欄位，不計入header中，在end terminal處理 -> 固定長度 (4+4+16(src IP)+16(des IP)) = 40 bytes
* 不做fragmentation，如果檔案太大，改成在來源端切割
* 使用ICMPv6

#### Tunneling
為解決IPv4和IPv6的相容問題。

* v6->v4：將v6封包視為v4的data，以v4的協定傳送
* v4->v6：直接取出v4的data，以v6的協定傳送