网络层
网络层是计算机网络体系结构中的关键一层，主要负责将数据包从源主机跨越多跳网络路径传送到目的主机。其核心功能是实现主机到主机的通信，并为传输层提供无连接或面向连接的服务。
一、核心功能与服务
- 转发：当一个数据包到达路由器的输入链路时，路由器需要根据其目的地址，通过查表将其移动到合适的输出链路。这是一个数据平面的功能。
- 路由：确定数据包从源到目的地所采用的路径。路由算法（如链路状态、距离向量）负责构建和维护路由器的转发表。这是一个控制平面的功能。
- 连接建立：某些网络层架构（如ATM）需要在数据传输前，在源和目的地之间建立一条虚拟路径。
网络层可以为传输层提供两种服务模型：
- 无连接服务：不事先建立连接，每个数据包独立路由。例如：Internet的网络层使用IP协议提供“尽力而为”的无连接服务。
- 面向连接服务：数据传输前需建立连接（虚电路），所有数据包沿同一路径传输，按序到达。例如：ATM网络。
二、核心协议：IP协议（IPv4）
IP协议是Internet网络层的核心。
- IP数据报格式：
- 关键字段：版本、首部长度、服务类型、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间、协议（指示上层协议，如TCP=6，UDP=17）、首部检验和、源IP地址、目的IP地址。
- 生存时间：TTL，每经过一个路由器减1，为0时丢弃，防止数据包无限循环。
- 分片与重组：由于链路层MTU限制，过大的IP数据报需要在路由器上分片，在目的主机上重组。
- IPv4编址：
- IP地址（如192.168.1.1）是32位的标识符，与接口（而非主机）相关联。
- 分类编址：A、B、C、D、E类地址，已过时。
- CIDR（无类别域间路由）：现代使用方式，格式为
a.b.c.d/x，其中x是网络前缀的长度。支持地址聚合，减少路由表项。
- 私有IP地址：保留给内部网络使用（如10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16），通过NAT访问公网。
- 动态主机配置协议：DHCP允许主机从网络服务器动态获取IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器地址。过程包括：发现、提供、请求、确认。
- 网络地址转换：NAT使私有网络内的多台主机可以共享一个或少量公网IP地址访问互联网。NAT路由器会修改进出数据包的IP地址和端口号，并维护转换表。
三、路由算法
路由算法的目标是找到从源到目的地“好”的路径（通常指代价最小）。
- 链路状态算法：如Dijkstra算法。
- 每个路由器掌握完整的网络拓扑和链路代价信息。
- 通过洪泛链路状态信息，让所有节点拥有一致的全网视图。
- 计算从本节点到所有其他节点的最短路径。
- 集中式算法，复杂度高，但结果稳定、无环路。
- 距离向量算法：如Bellman-Ford算法。
- 每个路由器维护到所有目的地的代价估计（距离向量），并定期与邻居交换。
- 分布式、迭代、异步执行。
- 可能遇到计数到无穷和路由环路问题，可通过毒性逆转等技术缓解。
- 核心公式：$dx(y) = \minv \{ c(x,v) + d_v(y) \}$。
四、路由实践：自治系统内与系统间
- 自治系统：AS是在单一技术管理下的一组路由器集合（如一个ISP）。内部运行相同的路由协议。
- 内部网关协议：IGP，用于AS内部路由。
- RIP：基于距离向量，使用跳数作为度量，最大跳数为15。通过UDP交换路由信息。
- OSPF：基于链路状态，使用洪泛链路状态信息和Dijkstra算法。直接通过IP承载。支持分层。
- 外部网关协议：EGP，用于AS间路由。
- BGP：事实上的标准。是一种路径向量协议。路由器之间交换的是完整的路径信息（AS序列），而不仅仅是距离。基于策略的路由选择是关键。
五、关键技术与协议
- ICMP协议：互联网控制报文协议，用于主机和路由器之间交换网络层控制信息（如目的不可达、回显请求/应答）。
ping和traceroute工具就是基于ICMP。 - IPv6：
- 动机：解决IPv4地址耗尽问题，简化首部格式，提升性能与安全性。
- 主要特点：128位地址空间；固定40字节基本首部；无分片（路径MTU发现）；原生支持安全与QoS。
- IP组播：允许一个发送者向一组接收者高效发送数据。使用D类地址。需要组播路由协议（如PIM）。
- 软件定义网络：SDN是一种新兴的网络架构，其核心思想是将控制平面（决策逻辑）与数据平面（转发功能）分离。控制平面由一个集中式的SDN控制器实现，通过南向API（如OpenFlow）对网络中的交换机进行编程和管理。这带来了前所未有的灵活性、可编程性和自动化能力。
六、重要概念
- 虚电路 vs 数据报网络：网络层两大分组交换体系。
- IP地址与MAC地址：网络层地址是逻辑的、分层的，用于全局寻址；链路层地址是物理的、扁平的，用于局部寻址。ARP协议完成两者映射。
- 路由器结构：主要包括输入/输出端口、交换结构、路由处理器。转发发生在输入端口或交换结构中。
- 路由与转发的区别：路由是“规划路径”，转发是“沿路移动”。
- 最长前缀匹配：在查找转发表时，当存在多个匹配的表项时，选择网络前缀最长的那一个。这是CIDR路由查找的关键。
网络层是连接不同网络、实现全球互联的基石。理解IP协议的工作原理、路由算法的思想以及Internet的路由层次结构，是掌握计算机网络的核心。
