網絡層
網絡層是計算機網絡體系結構中的關鍵一層，主要負責將數據包從源主機跨越多跳網絡路徑傳送到目的主機。其核心功能是實現主機到主機的通信，并為傳輸層提供無連接或面向連接的服務。
一、核心功能與服務
- 轉發：當一個數據包到達路由器的輸入鏈路時，路由器需要根據其目的地址，通過查表將其移動到合適的輸出鏈路。這是一個數據平面的功能。
- 路由：確定數據包從源到目的地所采用的路徑。路由算法（如鏈路狀態、距離向量）負責構建和維護路由器的轉發表。這是一個控制平面的功能。
- 連接建立：某些網絡層架構（如ATM）需要在數據傳輸前，在源和目的地之間建立一條虛擬路徑。
網絡層可以為傳輸層提供兩種服務模型：
- 無連接服務：不事先建立連接，每個數據包獨立路由。例如：Internet的網絡層使用IP協議提供“盡力而為”的無連接服務。
- 面向連接服務：數據傳輸前需建立連接（虛電路），所有數據包沿同一路徑傳輸，按序到達。例如：ATM網絡。
二、核心協議：IP協議（IPv4）
IP協議是Internet網絡層的核心。
- IP數據報格式：
- 關鍵字段：版本、首部長度、服務類型、總長度、標識、標志、片偏移、生存時間、協議（指示上層協議，如TCP=6，UDP=17）、首部檢驗和、源IP地址、目的IP地址。
- 生存時間：TTL，每經過一個路由器減1，為0時丟棄，防止數據包無限循環。
- 分片與重組：由于鏈路層MTU限制，過大的IP數據報需要在路由器上分片，在目的主機上重組。
- IPv4編址：
- IP地址（如192.168.1.1）是32位的標識符，與接口（而非主機）相關聯。
- 分類編址：A、B、C、D、E類地址，已過時。
- CIDR（無類別域間路由）：現代使用方式，格式為
a.b.c.d/x，其中x是網絡前綴的長度。支持地址聚合，減少路由表項。
- 私有IP地址：保留給內部網絡使用（如10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16），通過NAT訪問公網。
- 動態主機配置協議：DHCP允許主機從網絡服務器動態獲取IP地址、子網掩碼、默認網關和DNS服務器地址。過程包括：發現、提供、請求、確認。
- 網絡地址轉換：NAT使私有網絡內的多臺主機可以共享一個或少量公網IP地址訪問互聯網。NAT路由器會修改進出數據包的IP地址和端口號，并維護轉換表。
三、路由算法
路由算法的目標是找到從源到目的地“好”的路徑（通常指代價最小）。
- 鏈路狀態算法：如Dijkstra算法。
- 每個路由器掌握完整的網絡拓撲和鏈路代價信息。
- 通過洪泛鏈路狀態信息，讓所有節點擁有一致的全網視圖。
- 計算從本節點到所有其他節點的最短路徑。
- 集中式算法，復雜度高，但結果穩定、無環路。
- 距離向量算法：如Bellman-Ford算法。
- 每個路由器維護到所有目的地的代價估計（距離向量），并定期與鄰居交換。
- 分布式、迭代、異步執行。
- 可能遇到計數到無窮和路由環路問題，可通過毒性逆轉等技術緩解。
- 核心公式：$dx(y) = \minv \{ c(x,v) + d_v(y) \}$。
四、路由實踐：自治系統內與系統間
- 自治系統：AS是在單一技術管理下的一組路由器集合（如一個ISP）。內部運行相同的路由協議。
- 內部網關協議：IGP，用于AS內部路由。
- RIP：基于距離向量，使用跳數作為度量，最大跳數為15。通過UDP交換路由信息。
- OSPF：基于鏈路狀態，使用洪泛鏈路狀態信息和Dijkstra算法。直接通過IP承載。支持分層。
- 外部網關協議：EGP，用于AS間路由。
- BGP：事實上的標準。是一種路徑向量協議。路由器之間交換的是完整的路徑信息（AS序列），而不僅僅是距離。基于策略的路由選擇是關鍵。
五、關鍵技術與協議
- ICMP協議：互聯網控制報文協議，用于主機和路由器之間交換網絡層控制信息（如目的不可達、回顯請求/應答）。
ping和traceroute工具就是基于ICMP。 - IPv6：
- 動機：解決IPv4地址耗盡問題，簡化首部格式，提升性能與安全性。
- 主要特點：128位地址空間；固定40字節基本首部；無分片（路徑MTU發現）；原生支持安全與QoS。
- IP組播：允許一個發送者向一組接收者高效發送數據。使用D類地址。需要組播路由協議（如PIM）。
- 軟件定義網絡：SDN是一種新興的網絡架構，其核心思想是將控制平面（決策邏輯）與數據平面（轉發功能）分離。控制平面由一個集中式的SDN控制器實現，通過南向API（如OpenFlow）對網絡中的交換機進行編程和管理。這帶來了前所未有的靈活性、可編程性和自動化能力。
六、重要概念
- 虛電路 vs 數據報網絡：網絡層兩大分組交換體系。
- IP地址與MAC地址：網絡層地址是邏輯的、分層的，用于全局尋址；鏈路層地址是物理的、扁平的，用于局部尋址。ARP協議完成兩者映射。
- 路由器結構：主要包括輸入/輸出端口、交換結構、路由處理器。轉發發生在輸入端口或交換結構中。
- 路由與轉發的區別：路由是“規劃路徑”，轉發是“沿路移動”。
- 最長前綴匹配：在查找轉發表時，當存在多個匹配的表項時，選擇網絡前綴最長的那一個。這是CIDR路由查找的關鍵。
網絡層是連接不同網絡、實現全球互聯的基石。理解IP協議的工作原理、路由算法的思想以及Internet的路由層次結構，是掌握計算機網絡的核心。
