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1.3 网络核心超详细技术解析
一、网络核心的定义与核心功能
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定义
- 物理组成：由全球范围的高性能路由器（如Cisco CRS、Juniper PTX）、光纤骨干链路、数据中心互联（DCI）设备构成。
- 逻辑功能：实现数据包的跨网络域路由、流量调度和全局互联，形成覆盖全球的“网络高速公路”。
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核心功能
- 数据转发（Forwarding）：基于转发表（FIB）快速将数据包从输入端口切换到输出端口（硬件加速，如ASIC芯片）。
- 路由选择（Routing）：通过路由协议（如BGP、OSPF）动态计算最优路径，维护路由表（RIB）。
- 流量工程（Traffic Engineering）：优化链路利用率（如MPLS-TE、SDN集中控制）。
- 服务质量（QoS）：优先级标记（DSCP）、流量整形（Token Bucket）、拥塞管理（RED算法）。
二、数据交换技术深度对比
| 维度 | 电路交换 | 分组交换（数据报） | 分组交换（虚电路） |
|---|---|---|---|
| 资源分配 | 独占端到端带宽（静态预留） | 动态共享带宽（统计复用） | 逻辑通道预留（软状态） |
| 连接建立 | 必须预先建立（信令协议如SS7） | 无连接（每个包独立路由） | 需建立虚电路（如ATM的SVC/PVC） |
| 延迟特性 | 固定低延迟（无排队） | 可变延迟（依赖网络拥塞） | 较低且可预测延迟 |
| 典型协议 | PSTN电话网、SDH/SONET | IP协议族（IPv4/IPv6） | X.25、ATM、帧中继（Legacy） |
| 适用场景 | 实时语音、传统专线 | 互联网Web、视频流、云计算 | 金融专网（历史遗留系统） |
电路交换
类型 技术原理 实现方式/协议 核心特点 典型设备/技术 应用场景 传统电路交换 基于时分复用（TDM）分配固定时隙，独占端到端物理通道。 - E1/T1帧结构
- SDH/SONET虚容器（VC）- 固定带宽保障
- 无资源争用
- 静默期带宽浪费程控交换机（PBX）
SDH交叉连接设备（DXC）传统语音电话网（PSTN）
专线租用（如E1专线）光电路交换 通过波长分配（WDM/DWDM）预留独立光波长通道，实现光层直连。 - ROADM（可重构光分插复用器）
- 光交叉连接- 超低传输延迟（纳秒级）
- 超大带宽（单波长100Gbps~1.6Tbps）
- 无电子处理DWDM系统
C+L波段扩展光纤5G前传网络（eCPRI）
超算中心互联软交换与电路仿真 在分组网络（IP/MPLS）中仿真电路交换行为，提供确定性传输。 - CESoPSN（电路仿真）
- MPLS-TP硬管道- 兼容传统设备（如TDM电话）
- 动态带宽调整
- 通过QoS保障低抖动PWE3（RFC 3985）
MPLS-TP（G.8113.1）金融专网（兼容ATM）
工业控制网络
三、分组交换技术全解析
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分组生命周期
- 分片（Fragmentation）：
- MTU限制（以太网默认1500字节），超大数据包需分片（IPv4支持，IPv6仅源端分片）。
- 分片重组由接收端完成（重组超时时间30-60秒）。
- 封装与解封装：
[应用数据] → [TCP/UDP头部] → [IP头部] → [以太网头部] → 物理链路传输 - 路由过程：
- 最长前缀匹配：路由器查找路由表选择最精确目标网络（如
192.168.1.0/24优先于192.168.0.0/16）。 - 递归下一跳：若下一跳非直连，需进一步查找路由表（常见于BGP复杂网络）。
- 最长前缀匹配：路由器查找路由表选择最精确目标网络（如
- 分片（Fragmentation）：
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关键性能指标
- 吞吐量（Throughput）：单位时间通过的数据量（受链路速率、路由处理能力限制）。
- 延迟组成：
延迟类型 产生环节 计算公式 传输延迟 数据从设备到链路的耗时 数据大小 / 链路带宽 传播延迟 信号在介质中的传输时间 距离 / 传播速度（光纤约2e8 m/s） 排队延迟 路由器缓存队列等待时间 依赖流量突发性和队列管理策略 处理延迟 路由器查表、校验等操作时间 通常微秒级（ASIC优化后可忽略）
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拥塞控制机制
- 主动队列管理（AQM）：
- RED（Random Early Detection）：
- 监控队列长度，在拥塞前随机丢弃包，触发TCP源端降速。
- 参数配置：
min_threshold、max_threshold、max_p。
- CoDel（Controlled Delay）：
- 基于包停留时间（sojourn time）判断拥塞，优于RED在动态流量下的表现。
- RED（Random Early Detection）：
- 显式拥塞通知（ECN）：
- IP头部ECN字段标记拥塞，接收方通过TCP ACK反馈，避免丢包。
- 主动队列管理（AQM）：
四、路由协议与算法
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自治系统（AS）与路由层次
- AS号：16位（1-64511为公有）或32位（如65536-），由IANA分配（如中国电信AS4134）。
- 路由类型：
路由来源 协议示例 作用域 特点 内部网关协议（IGP） OSPF、IS-IS、RIP 单一AS内 快速收敛、拓扑驱动（链路状态） 外部网关协议（EGP） BGP 跨AS互联 策略驱动（路径属性如AS_PATH）
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OSPF协议深度解析
- 区域划分：
- 骨干区域（Area 0）与非骨干区域（Area 1-N），通过ABR（Area Border Router）互联。
- 减少LSA泛洪范围，提高扩展性。
- LSA类型：
LSA Type 名称 作用 1 Router-LSA 描述区域内路由器的链路状态 2 Network-LSA 描述广播网络（如以太网）的DR信息 3 Summary-LSA ABR发布的跨区域路由摘要 5 AS-external-LSA 引入外部路由（如BGP路由）
- 区域划分：
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BGP协议实战分析
- 路径属性：
- AS_PATH：记录路由经过的AS号，用于防环和策略选择。
- NEXT_HOP：下一跳IP地址（可能跨AS多次修改）。
- LOCAL_PREF：本地优先级（影响出站流量，值越大越优先）。
- MED（Multi-Exit Discriminator）：向邻居AS建议入口优先级。
- 路由选择规则：
- 最高Weight（Cisco私有） → 2. 最高LOCAL_PREF → 3. 最短AS_PATH → 4. 最低Origin类型 → 5. 最小MED值...
- 路径属性：
五、现代网络核心演进
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软件定义网络（SDN）
- 架构：
- 控制平面与数据平面分离，集中式控制器（如OpenDaylight、ONOS）通过OpenFlow协议管理交换机流表。
- 应用场景：
- 数据中心网络（Google B4）、广域网流量调度（Google Espresso）。
- 架构：
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网络功能虚拟化（NFV）
- 核心思想：将路由器、防火墙等网络功能以软件形式运行在通用服务器（COTS）。
- 案例：
- 虚拟路由器（VyOS）、虚拟防火墙（iptables/BPF）。
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5G核心网（5GC）
- 服务化架构（SBA）：
- 网络功能拆分为微服务（如AMF、SMF、UPF），通过HTTP/2通信。
- 关键技术：
- 网络切片（Network Slicing）：为不同业务（eMBB、URLLC、mMTC）提供逻辑隔离的专用网络。
- 服务化架构（SBA）：
六、网络核心故障排查工具
| 工具 | 功能 | 使用示例 |
|---|---|---|
| traceroute | 显示数据包路径 | traceroute -n 8.8.8.8 |
| BGP Looking Glass | 查询全球BGP路由状态 | RouteViews |
| sFlow/netFlow | 流量采样与监控 | Cisco NetFlow v9、sFlow RFC 3176 |
| Wireshark | 抓包分析协议细节 | 过滤BGP报文：tcp.port == 179 |
知识点整理
一、网络核心的定义与作用
- 定义：网络核心是由交换节点（如路由器、交换机）及其之间的链路组成的系统，是互联网中实现数据交换的核心部分。
- 主要作用：数据交换，即将数据包从源主机正确、高效地传递到目标主机。
二、数据交换方式
1. 电路交换（Circuit Switching）
- 原理：在通信之前，通过信令系统为两个通信端点建立一条独享的物理或逻辑电路。
- 特点：
- 独享资源：通信期间，电路为两个端点独享，保证通信质量和带宽。
- 性能保障：由于资源独享，通信性能有保证。
- 建立时间：通信前需要建立连接，建立时间较长。
- 资源浪费：通信不连续时，电路空闲，造成资源浪费。
- 适用场景：传统电话网络、移动通信中的语音通话（逐渐IP化）。
2. 分组交换（Packet Switching）
- 原理：将数据分割成多个分组（Packets），每个分组独立路由，以存储转发的方式通过网络核心传递。
- 特点：
- 资源共享：多个通信会话可以共享同一链路，提高资源利用率。
- 按需使用：只有在有数据传输时才占用网络资源。
- 存储转发：每个节点在转发分组前需要完全接收并存储该分组。
- 排队延迟：分组在节点处可能因排队等待转发而产生延迟。
- 可能丢包：在网络拥塞时，分组可能被丢弃。
- 适用场景：现代互联网、大多数计算机网络。
三、分组交换的细节
1. 分组格式
- 头部：包含目标地址、源地址、协议类型等信息。
- 数据部分：实际传输的数据内容。
2. 交换节点的操作
- 接收分组：从输入链路接收分组。
- 查找路由：根据分组头部信息查找路由表，确定输出链路。
- 存储转发：将分组完全存储在节点中，然后从输出链路转发。
3. 排队与延迟
- 排队延迟：分组在节点处因等待转发而产生的延迟，可能是不确定的。
- 存储延迟：节点存储分组所需的时间。
- 总延迟：包括传输延迟、传播延迟、排队延迟和存储延迟。
4. 拥塞控制
- 定义：防止网络因过载而导致性能下降的机制。
- 方法：流量控制、拥塞避免、拥塞恢复等。
四、分组交换的优势与劣势
优势
- 资源共享：提高网络资源利用率。
- 按需使用：仅在数据传输时占用网络资源。
- 灵活性：适应不同带宽和延迟要求的通信。
劣势
- 排队延迟：可能导致通信延迟不确定。
- 可能丢包：在网络拥塞时数据可能丢失。
- 复杂性：需要复杂的路由和拥塞控制机制。
五、分组交换的类型
1. 数据报网络（Datagram Networks）
- 特点：每个分组独立路由，携带完整的目标地址，交换节点不维护通信状态。
- 示例：IP网络。
2. 虚电路网络（Virtual Circuit Networks）
- 特点：通信前建立虚拟电路，分组携带虚电路号而非完整地址，交换节点维护通信状态。
- 示例：X.25网络、ATM网络（已逐渐被IP网络取代）。
六、总结
- 网络核心是互联网中实现数据交换的核心部分。
- 分组交换是现代互联网采用的主要数据交换方式，具有资源共享、按需使用等优点，但也存在排队延迟、可能丢包等劣势。
- 电路交换适用于传统电话网络等需要性能保障的场景，但资源利用率较低。