计算机网络-网络层

网络层服务

网络层

从发送主机向接收主机传送数据段（segment）
发送主机：将数据段封装到数据报（datagram）中
接收主机：向传输层交付数据段（segment）
每个主机和路由器都运行网络层协议
路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域
决策如何处理IP数据报

网络层核心功能- 转发与路由

转发(forwarding):将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口

路由(routing): 确定分组从源到目的经过的路径，路由算法（routingalgorithms）

网络层核心功能- 连接建立

某些网络的重要功能:
- ATM, 帧中继, X.25
数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接
- 网络设备（如路由器）参与连接的建立
网络层连接与传输层连接的对比:
- 网络层连接: 两个主机之间 (路径上的路由器等网络设备参与其中)
- 传输层连接: 两个应用进程之间（对中间网络设备透明）

网络层服务模型

无连接服务(connection-less service):
- 不事先为系列分组的传输确定传输路径
- 每个分组独立确定传输路径
- 不同同分组可能传输路径不同
- 数据报网络(datagram network )
连接服务(connection service):
- 首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径( 建立连接)
- 然后沿该路径（连接）传输系列分组
- 系列分组传输路径相同
- 传输接结束后拆除连接
- 虚电路络网络(virtual-circuit network )

虚电路网络

数据报(datagram)网络与虚电路(virtual-circuit)网络是典型两类分组交换网络
数据报网络提供网络层无连接服务
虚电路网络提供网络层连接服务
类似于传输层的无连接服务（UDP）和面向连接服务（TCP），但是网络层服务：
- 主机到主机服务
- 网络核心实现

虚电路(Virtual circuits)

虚电路：一条从源主机到目的主机，类似于电路的路径(逻辑连接)

分组交换
每个分组的传输利用链路的全部带宽
源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能

通信过程：

呼叫建立(call setup) → 数据传输 → 拆除呼叫
每个分组携带虚电路标识(VCID)，而不是目的主机地址
虚电路经过的每个网络设备（如路由器），维护每条经过它的虚电路连接状态
链路、网络设备资源(如带宽、缓存等)可以面向VC进行预分配
- 预分配资源=可预期服务性能
- 如ATM的电路仿真（CBR）

VC 的具体实现

每条虚电路包括:

从源主机到目的主机的一条路径
虚电路号（VCID），沿路每段链路一个编号
沿路每个网络层设备（如路由器），利用转发表记录经过的每条虚电路

沿某条虚电路传输的分组，携带对应虚电路的VCID，而不是目的地址

同一条VC ，在每段链路上的VCID通常不同，路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号

虚电路信令协议(signaling protocols)

数据报网络

网络层无连接
每个分组携带目的地址
路由器根据分组的目的地址转发分组
- 基于路由协议/算法构建转发表
- 检索转发表
- 每个分组独立选路

数据报转发表

最长前缀匹配优先

在检索转发表时，优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口（entry ）。

数据报网络 or VC 网络

IP 协议-IP 数据报

Internet 网络层

IP 数据报( 分组)

版本号字段占4位：IP协议的版本号
- E.g. 4→IPv4，6 → IPv6
首部长度字段占4位：IP分组首部长度
- 以4字节为单位
- E.g. 5→IP首部长度为20(5×4)字节
服务类型(TOS)字段占8位：指示期望获得哪种类型的服务
- 1998 年这个字段改名为区分服务
- 只有在网络提供区分服务(DiffServ)时使用
- 一般情况下不使用，通常IP分组的该字段(第2字节)的值为00H
总长度字段占16位：IP分组的总字节数(首部+数据)
- 最大IP分组的总长度：65535B
- 最小的IP分组首部：20B
- IP分组可以封装的最大数据：65535-20=65515B
生存时间（TTL ）字段占8位：IP分组在网络中可以通过的路由器数（或跳步数）
- 路由器转发一次分组，TTL减1
- 如果TTL=0，路由器则丢弃该IP分组
协议字段占8位：指示IP分组封装的是哪个协议的数据包
- 实现复用/分解
- E.g. 6为TCP，表示封装的为TCP段；17为UDP，表示封装的是UDP数据报
首部校验和字段占16位：实现对IP分组首部的差错检测
- 计算校验和时，该字段置全0
- 采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段
- 逐跳计算、逐跳校验
源源IP 地址、目的IP 地址字段各占32位：分别标识发送分组的源主机/路由器(网络接口)和接收分组的目的主机/路由器（网络接口）的IP地址
选项字段占长度可变，范围在1~40B之间：携带安全、源选路径、时间戳和路由记录等内容
- 实际上很少被使用
填充字段占长度可变，范围在0~3B之间：目的是补齐整个首部，符合32位对齐，即保证首部长度是4字节的倍数