因特网协议分层与虚拟网络

2018-03-30

分层模型及实现方式

1. 第五层（或者OSI第七层）- 应用层 Http/SSH/TCP：软件实现
2. 第四层 - 传输层TCP/UDP：软件实现。
   • “端口”这个概念也在这一层被实现，网络层只负责主机->主机的数据传递，传输层则通过一个虚拟的“端口”实现程序->程序的数据传递。
3. 第三层 - 网络层：软件与硬件混合实现，算是五层协议里最复杂的一部分。
   1. data plane: forwarding 转发，由硬件实现。
      • 功能：在单个路由器中，将 packet 从输入端口转发到合适的输出端口。（这里的端口，指的是路由器的物理端口，和 tcp/udp 的端口不是一个概念）
      • 数据平面需要非常快的工作效率，尤其是在高速线路上，工作在 ns 尺度上，因此需要用硬件实现来保证正常工作。
   2. control plane: routing 路径选择，由软件实现。
      • 涉及算法，通常由软件实现。计算合适的路由路径，并据此完成对路由器 forwarding table 的更新。（还有部分网络管理功能）
      • 控制平面的路径选择算法、网络管理功能，相对数据平面而言对时间的要求不是那么高。工作在ms/s尺度上，更适合用软件实现。（由于其计算量大，而且路由器分布式布置，该算法通常实现为分布式）
        
4. 第二层 - 数据链路层：负责特定链路的通信，常实现在硬件内。
   • 交换机通过 MAC 地址在链路层进行数据转发。(ARP 协议)
5. 第一层 - 物理层：负责处理物理信号和第二层数据包之间的转换（调制解调器，猫），硬件实现。

OSI七层模型，在应用层与运输层之间，多了一个表示层和会话层，而在因特网中这两层不一定需要，若有需要也通常由软件自身实现。

P.S. 软件实现的好处是成本低，也容易更改。 而硬件实现的好处是效率高，响应快，但是更改难，成本也高。

VLAN（虚拟局域网）

随着互联网的不断发展，“套娃”技术也被 应用地越发深入。尤其是 云计算/微服务/Kubernetes 火了之后，单纯的虚拟机层面的网络已经满足不了大家的需求了。

最浅显的例子是云计算，云平台上的每个企业，都希望自己能有一套自己的私有网络，增强自己微服务体系的安全性，这显然只能通过虚拟网络的方式实现。

另外就是 Kubernetes 容器管理平台，一台主机上可能运行着上百个 Pod（容器组），K8s 需要为每个 Pod 分配一个在整个集群中都可用的 IP，某些情况下还希望能够隔离各个命名空间的网络。这显然也需要在已有的节点间网络上再虚拟出一个 Kubernetes 自己的网络，并且由 kubernetes 自己完全地控制这个网络。

网络虚拟化技术有多种方式，k8s 的 flannel 插件使用的是 vxlan 技术，这种技术将虚拟网络的数据封装成 udp 包在主机网络上传送。

通过 vxlan 类似的技术实现的网络，被称为 overlay 网络，即在现有的物理网络之上构建一个虚拟网络，上层应用只与该虚拟网络相关。前述的五层网络模型中，overlay 网络可以虚拟化第一层（物理层）之上的所有网络层。

overlay 网络非常灵活，唯一的缺点就是性能——它在第四层进行封装。

k8s 主流的网络插件中，还有一个 calico，它使用 iptables 在第三层实现了一套虚拟网络，好处是性能比 overlay 网络更好。

SDN（软件定义网络）

待续