網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵一層，主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包從源主機(jī)跨越多跳網(wǎng)絡(luò)路徑傳送到目的主機(jī)。其核心功能是實(shí)現(xiàn)主機(jī)到主機(jī)的通信，并為傳輸層提供無連接或面向連接的服務(wù)。
一、核心功能與服務(wù)
- 轉(zhuǎn)發(fā)：當(dāng)一個數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器的輸入鏈路時，路由器需要根據(jù)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(shù)據(jù)平面的功能。
- 路由：確定數(shù)據(jù)包從源到目的地所采用的路徑。路由算法（如鏈路狀態(tài)、距離向量）負(fù)責(zé)構(gòu)建和維護(hù)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)表。這是一個控制平面的功能。
- 連接建立：某些網(wǎng)絡(luò)層架構(gòu)（如ATM）需要在數(shù)據(jù)傳輸前，在源和目的地之間建立一條虛擬路徑。
網(wǎng)絡(luò)層可以為傳輸層提供兩種服務(wù)模型：
- 無連接服務(wù)：不事先建立連接，每個數(shù)據(jù)包獨(dú)立路由。例如：Internet的網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議提供“盡力而為”的無連接服務(wù)。
- 面向連接服務(wù)：數(shù)據(jù)傳輸前需建立連接（虛電路），所有數(shù)據(jù)包沿同一路徑傳輸，按序到達(dá)。例如：ATM網(wǎng)絡(luò)。
二、核心協(xié)議：IP協(xié)議（IPv4）
IP協(xié)議是Internet網(wǎng)絡(luò)層的核心。
- IP數(shù)據(jù)報(bào)格式：
- 關(guān)鍵字段：版本、首部長度、服務(wù)類型、總長度、標(biāo)識、標(biāo)志、片偏移、生存時間、協(xié)議（指示上層協(xié)議，如TCP=6，UDP=17）、首部檢驗(yàn)和、源IP地址、目的IP地址。
- 生存時間：TTL，每經(jīng)過一個路由器減1，為0時丟棄，防止數(shù)據(jù)包無限循環(huán)。
- 分片與重組：由于鏈路層MTU限制，過大的IP數(shù)據(jù)報(bào)需要在路由器上分片，在目的主機(jī)上重組。
- IPv4編址：
- IP地址（如192.168.1.1）是32位的標(biāo)識符，與接口（而非主機(jī)）相關(guān)聯(lián)。
- 分類編址：A、B、C、D、E類地址，已過時。
- CIDR（無類別域間路由）：現(xiàn)代使用方式，格式為
a.b.c.d/x，其中x是網(wǎng)絡(luò)前綴的長度。支持地址聚合，減少路由表項(xiàng)。
- 私有IP地址：保留給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)。
- 動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議：DHCP允許主機(jī)從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器動態(tài)獲取IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)和DNS服務(wù)器地址。過程包括：發(fā)現(xiàn)、提供、請求、確認(rèn)。
- 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換：NAT使私有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多臺主機(jī)可以共享一個或少量公網(wǎng)IP地址訪問互聯(lián)網(wǎng)。NAT路由器會修改進(jìn)出數(shù)據(jù)包的IP地址和端口號，并維護(hù)轉(zhuǎn)換表。
三、路由算法
路由算法的目標(biāo)是找到從源到目的地“好”的路徑（通常指代價最小）。
- 鏈路狀態(tài)算法：如Dijkstra算法。
- 每個路由器掌握完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌反鷥r信息。
- 通過洪泛鏈路狀態(tài)信息，讓所有節(jié)點(diǎn)擁有一致的全網(wǎng)視圖。
- 計(jì)算從本節(jié)點(diǎn)到所有其他節(jié)點(diǎn)的最短路徑。
- 集中式算法，復(fù)雜度高，但結(jié)果穩(wěn)定、無環(huán)路。
- 距離向量算法：如Bellman-Ford算法。
- 每個路由器維護(hù)到所有目的地的代價估計(jì)（距離向量），并定期與鄰居交換。
- 分布式、迭代、異步執(zhí)行。
- 可能遇到計(jì)數(shù)到無窮和路由環(huán)路問題，可通過毒性逆轉(zhuǎn)等技術(shù)緩解。
- 核心公式：$dx(y) = \minv \{ c(x,v) + d_v(y) \}$。
四、路由實(shí)踐：自治系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)間
- 自治系統(tǒng)：AS是在單一技術(shù)管理下的一組路由器集合（如一個ISP）。內(nèi)部運(yùn)行相同的路由協(xié)議。
- 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議：IGP，用于AS內(nèi)部路由。
- RIP：基于距離向量，使用跳數(shù)作為度量，最大跳數(shù)為15。通過UDP交換路由信息。
- OSPF：基于鏈路狀態(tài)，使用洪泛鏈路狀態(tài)信息和Dijkstra算法。直接通過IP承載。支持分層。
- 外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議：EGP，用于AS間路由。
- BGP：事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。是一種路徑向量協(xié)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(guān)鍵。
五、關(guān)鍵技術(shù)與協(xié)議
- ICMP協(xié)議：互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議，用于主機(jī)和路由器之間交換網(wǎng)絡(luò)層控制信息（如目的不可達(dá)、回顯請求/應(yīng)答）。
ping和traceroute工具就是基于ICMP。 - IPv6：
- 動機(jī)：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(diǎn)：128位地址空間；固定40字節(jié)基本首部；無分片（路徑MTU發(fā)現(xiàn)）；原生支持安全與QoS。
- IP組播：允許一個發(fā)送者向一組接收者高效發(fā)送數(shù)據(jù)。使用D類地址。需要組播路由協(xié)議（如PIM）。
- 軟件定義網(wǎng)絡(luò)：SDN是一種新興的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其核心思想是將控制平面（決策邏輯）與數(shù)據(jù)平面（轉(zhuǎn)發(fā)功能）分離。控制平面由一個集中式的SDN控制器實(shí)現(xiàn)，通過南向API（如OpenFlow）對網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)進(jìn)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(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)層兩大分組交換體系。
- IP地址與MAC地址：網(wǎng)絡(luò)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(xié)議完成兩者映射。
- 路由器結(jié)構(gòu)：主要包括輸入/輸出端口、交換結(jié)構(gòu)、路由處理器。轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)生在輸入端口或交換結(jié)構(gòu)中。
- 路由與轉(zhuǎn)發(fā)的區(qū)別：路由是“規(guī)劃路徑”，轉(zhuǎn)發(fā)是“沿路移動”。
- 最長前綴匹配：在查找轉(zhuǎn)發(fā)表時，當(dāng)存在多個匹配的表項(xiàng)時，選擇網(wǎng)絡(luò)前綴最長的那一個。這是CIDR路由查找的關(guān)鍵。
網(wǎng)絡(luò)層是連接不同網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)的基石。理解IP協(xié)議的工作原理、路由算法的思想以及Internet的路由層次結(jié)構(gòu)，是掌握計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心。
