Ağ Katmanı ve Yönlendirme
Ağ katmanı, paketleri birden çok bağlantı ve ağ üzerinden bir kaynak ana bilgisayardan bir hedef ana bilgisayara taşımaktadır; bu işlem, her yönlendiricide her paketi ileten bir veri düzlemi ile bu paketlerin izleyeceği rotaları hesaplayan bir kontrol düzlemini birleştirmektedir.
Tanım
Ağ katmanı, bir internetwork (ağlar arası iletişim) boyunca paketlerin ana bilgisayardan ana bilgisayara teslimatından sorumlu protokol katmanıdır; adresleme, yönlendiriciler içinde paketlerin iletilmesi (veri düzlemi) ve ağ genelinde rota belirlenmesi (kontrol düzlemi) hizmetlerini sağlamaktadır.
Kapsam
Bu alan, internetworking'i (ağlar arası iletişimi) kapsamaktadır: İnternet Protokolü (IP) ve adreslemesi ile iletimi, yolları hesaplayan yönlendirme algoritmaları (bağlantı durumu ve mesafe vektörü), yönlendirmenin etki alanı içi (intra-domain) ve etki alanları arası (inter-domain) protokollere (otonom sistemler arasındaki BGP dahil) göre organizasyonu ve kontrol düzlemini mantıksal olarak merkezileştirilmiş denetleyicilere ayıran daha yeni yazılım tanımlı ağ (software-defined networking) paradigması bu kapsamdadır. Bu alan, paket başına veri düzlemini rota hesaplayan kontrol düzleminden ayırmakta ve üzerindeki taşıma katmanı (transport-layer) uçtan uca hizmetleri ile altındaki bağlantı katmanı (link-layer) atlamadan atlamaya (hop-by-hop) teslimatını dışarıda bırakmaktadır.
Alt konular
Temel sorular
- Bir yönlendirici bir paketi hedefine doğru nasıl iletmektedir ve bir iletim tablosunda neler bulunmaktadır?
- IP adresleri nasıl yapılandırılmakta ve tahsis edilmekte, alt ağlara ayırma (subnetting) ve CIDR nasıl çalışmaktadır?
- Bağlantı durumu (link-state) ve mesafe vektörü (distance-vector) algoritmaları en düşük maliyetli yolları nasıl hesaplamaktadır?
- Yönlendirme neden etki alanı içi (intra-domain) protokollere ve etki alanları arası (inter-domain) protokol BGP'ye ayrılmıştır?
- Yazılım tanımlı ağ (software-defined networking), yönlendirme kararlarının nerede ve nasıl alındığını nasıl değiştirmektedir?
Anahtar kavramlar
- İnternet Protokolü (IP)
- IP adresleme, alt ağlara ayırma (subnetting) ve CIDR
- İletim tabloları ve en uzun önek eşleşmesi (longest-prefix match)
- Bağlantı durumu yönlendirmesi (link-state routing)
- Mesafe vektörü yönlendirmesi (distance-vector routing)
- Otonom sistemler
- Sınır Ağ Geçidi Protokolü (BGP)
- Kontrol düzlemi ve veri düzlemi
- Yazılım tanımlı ağ (software-defined networking)
- Ağ adresi çevirisi (NAT)
Temel kuramlar
- Veri düzlemi ile kontrol düzlemi ayrımı
- Ağ katmanı, gelen her paketi bir iletim tablosuna göre ileten hızlı bir veri düzlemine ve bu tabloları yönlendirme protokolleri aracılığıyla hesaplayan bir kontrol düzlemine ayrılmaktadır; yazılım tanımlı ağ (software-defined networking) ise kontrol düzlemini merkezileştirerek bu ayrımı daha da ileri taşımaktadır.
- En düşük maliyetli yol yönlendirmesi
- Yönlendirme algoritmaları ağı ağırlıklı bir grafik olarak modellemekte ve en kısa yolları hesaplamaktadır: bağlantı durumu (link-state) algoritmaları (Dijkstra) her yönlendiriciye tam bir topoloji görünümü sağlarken, mesafe vektörü (distance-vector) algoritmaları (Bellman-Ford) komşularıyla tahminleri değiş tokuş etmekte ve yinelemeli olarak yakınsamaktadır.
- Politika tabanlı etki alanları arası yönlendirme
- Bağımsız olarak yönetilen otonom sistemler arasındaki yönlendirme, erişilebilirlik bilgisini yayan ve her ağın yalnızca en kısa yol metrikleri yerine iş ve politika tercihlerini uygulamasını sağlayan Sınır Ağ Geçidi Protokolü (Border Gateway Protocol) tarafından yönetilmektedir.
Klinik önem
Ağ katmanı, küresel İnternet'i tek bir erişilebilir sistem haline getiren katmandır: İnternet'i geçen her paket IP yönlendiriciler tarafından iletilmekte ve on binlerce otonom sistem arasındaki BGP kararları küresel bağlantıyı belirlemektedir. Yazılım tanımlı ağ (software-defined networking) günümüzde büyük bulut ve veri merkezi ağlarının temelini oluşturmakta, operatörlerin trafik mühendisliğini ve izolasyonu merkezi olarak programlamasına olanak tanımaktadır. Adres tükenmesi, IPv4'ten IPv6'ya geçişi tetiklemiştir.
Tarihçe
İnternet Protokolü, RFC 791 (1981) belgesinde TCP/IP mimarisinin bağlantısız, en iyi çaba (best-effort) çekirdeği olarak belirtilmiştir. RIP ve OSPF gibi iç yönlendirme protokolleri ve dış protokol BGP, İnternet ölçeklendikçe yönlendirmeyi yönetmek için gelişmiştir. 2008 OpenFlow önerisi, anahtar iletim tablosunu harici bir denetleyiciye açarak yazılım tanımlı ağı (software-defined networking) başlatmış ve büyük ağların nasıl inşa edildiğini ve yönetildiğini yeniden şekillendirmiştir.
Tartışmalar
- Dağıtık kontrol düzlemleri ile merkezi SDN kontrolü
- Geleneksel yönlendirme, sağlamlık ve özerklik için rota hesaplamasını tüm yönlendiricilere dağıtırken, yazılım tanımlı ağ (software-defined networking) programlanabilirlik ve küresel optimizasyon için kontrolü merkezileştirmektedir; merkezileşme, ölçeklenebilirlik ve esneklik arasındaki doğru denge üzerine tartışmalar devam etmektedir.
Öne çıkan isimler
- Vinton Cerf
- Robert Kahn
- Jon Postel
- Nick McKeown
- Jennifer Rexford
İlgili konular
Temel eserler
- kurose2021
- rfc791
- mckeown2008
Sıkça sorulan sorular
- İletme (forwarding) ve yönlendirme (routing) arasındaki fark nedir?
- İletme (forwarding), bir paketi iletim tablosunu kullanarak bir girişten bir çıkış portuna taşıyan yerel, paket başına eylemdir ve veri düzleminde yüksek hızda gerçekleşmektedir. Yönlendirme (routing) ise, kontrol düzlemindeki yönlendirme algoritmaları ve protokolleri tarafından yapılan, bu iletim tablolarının içeriğini hesaplama sürecidir.
- IPv6 neden tanıtılmıştır?
- IPv4'ün yaklaşık dört milyar adreslik 32-bit adres alanı, İnternet'e bağlı cihazların çoğalmasıyla yetersiz hale gelmiştir. IPv6, başlıkta yapılan basitleştirmeler ve otomatik yapılandırma (autoconfiguration) gibi özellikler için yerleşik destek ile birlikte çok daha geniş bir alan sağlamak üzere 128-bit adresler kullanmaktadır.