在计算机网络的五层协议体系结构中，网络层扮演着承上启下、至关重要的角色。它位于运输层之下、数据链路层之上，其核心任务是实现数据包从源主机到目的主机的端到端传输，跨越多个异构的网络。本部分将重点探讨网络层的核心功能与关键协议。
一、网络层的核心功能
网络层的主要职责可以概括为以下几点：
- 路由选择：这是网络层最核心的功能。当数据包需要从一个网络传输到另一个网络时，网络层设备（主要是路由器）需要根据特定的路由算法，为数据包选择一条从源到目的的最佳或合适的路径。这个过程依赖于路由器内部维护的路由表。
- 分组转发：在确定了数据包的下一跳地址后，路由器将数据包从正确的接口发送出去。转发过程是路由选择结果的直接执行。
- 异构网络互连：现实世界存在以太网、Wi-Fi、蜂窝网络等多种类型的物理网络。网络层通过定义统一的IP协议，屏蔽了下层数据链路层和物理层的差异，使得这些异构网络能够相互通信，构成了全球统一的互联网。
- 拥塞控制：虽然不是所有网络层协议都直接处理拥塞，但IP协议族中的一些机制（如源抑制报文，现已较少使用）和上层协议（如TCP）会协同工作，以避免网络因流量过大而性能急剧下降。
二、关键协议：网际协议IP
在网络层，网际协议（Internet Protocol, IP） 是毋庸置疑的核心。目前广泛使用的是IPv4，而IPv6正在逐步普及。
- IPv4数据报格式：
- 版本：标识IP协议版本（如4）。
- 首部长度：指示IP首部的长度。
- 服务类型：用于区分不同服务质量的数据包。
- 总长度：指整个IP数据报（首部+数据）的长度。
- 标识、标志、片偏移：这三个字段共同用于处理IP数据报的分片与重组，以适应不同数据链路层的最大传输单元（MTU）。
- 生存时间（TTL）：数据报每经过一个路由器，TTL值减1。当TTL为0时，数据报被丢弃。这防止了数据报在网络中无限循环。
- 协议：指示上层使用何种协议（如TCP为6，UDP为17），以便目的主机将数据交付给正确的运输层实体。
- 首部检验和：用于校验IP首部在传输过程中是否出错。
- 源IP地址和目的IP地址：这是IP数据报的“起点”和“终点”，是全局唯一的逻辑地址，是实现路由的基础。
- IP地址与子网划分：
- IPv4地址是一个32位的二进制标识符，通常用点分十进制表示（如192.168.1.1）。它由网络号和主机号两部分组成。网络号标识主机所属的网络，主机号标识该网络内的特定主机。
- 为了更灵活地分配IP地址和管理网络，引入了子网划分技术。通过从主机号中借用若干位作为子网号，可以将一个大的网络划分成多个较小的子网。判断IP地址属于哪个子网，需要结合子网掩码进行“与”运算。
- 地址解析协议（ARP）：
- 虽然ARP工作在数据链路层和网络层之间，但它对于IP层的运行至关重要。ARP的作用是在同一个局域网内，根据已知的IP地址，查询其对应的MAC地址（物理地址）。因为数据包在实际的物理链路上传输时，最终使用的是MAC地址，而非IP地址。
三、网络层设备：路由器
路由器是实现网络层功能的关键硬件设备。它内部包含：
- 路由选择处理器：执行路由协议，生成和维护路由表。
- 交换结构：根据路由表，在输入端口和输出端口之间高速转发数据包。
- 输入/输出端口：连接物理链路，完成数据包的接收与发送。
路由器通过运行路由协议（如RIP、OSPF、BGP等）自动学习和交换路由信息，动态更新路由表，以适应网络拓扑的变化。
小结
网络层（上）部分，我们聚焦于其核心的“路由与转发”功能，并深入剖析了核心协议IP（IPv4）的数据报结构、地址管理以及相关的ARP协议。理解这些内容是掌握互联网如何工作的基石。在（下）部分，我们将继续探讨网络层的其他重要主题，如IP组播、移动IP、虚拟专用网（VPN）以及下一代网际协议IPv6等。
