【计算机 络系列】 络层①：简述 络层的几个重要概念

络层概述

我们接着讨论 络互连问题，其核心内容是 际协议IP，这也是计算机 络的一个重点内容。只有深入地掌握了协议IP的主要内容，才能理解互联 是怎样工作的。接着还要讨论 际控制 文协议ICMP、几种常用的路由选择协议、IPv6的主要特点、IP多播的概念等。在讨论虚拟专用 VPN和 络地址转换NAT后, 最后简单介绍多协议标签交换MPLS和软件定义 络SDN的基本概念。

络层最重要的内容是：

• 虚拟互连 络和两种服务、两个层面的概念。
• IP地址与MAC地址的关系。
• 传统分类的IP地址和无分类域间路由选择CIDR（后者是重点）。
• 路由选择协议的工作原理。

首先要明确的是， 络层的主要任务是实现 络互连，进而实现数据包在 络之间的传输。

要实现 络层的任务，需要解决如下三个问题：

1. 络层向运输层提供怎么样的服务（可靠传输还是不可靠传输）

在不同 络体系结构中提供的服务可能是不同的

• 在因特 所使用的TCP/IP协议的 络层中使用的是无连接、不可靠的数据 服务
• ATM、帧中继和X.25的 络层使用的都是面向连接的、可靠的虚电路服务。

2. 络层如何寻址问题

各个路由器接口都有不同的IP地址来进行识别，根据其IP地址（ 络编 ）来识别其路由器接口，就能解决寻址问题。

3. 路由如何选择问题（路径选择问题）

在路由器中，路由器收到数据后是依据什么来决定将数据包从自己的哪个接口发送出去的，这里就引出了路由器中的路由表：路由表中记录了目的 络以及各级跳的路由器端口，以此来选择走哪个路由器到达端口。路由记录表的记录有两种情况生成：

1. 由用户或 络管理员进行人工配置。这种方法只适用于规模较小且 络拓扑不改变的小型互联 。
2. 实现各种路由选择协议，由路由器执行路由选择协议中所规定的路由选择算法，而自动得出路由表中的路由记录，这种方法更适合规模较大且 络拓扑经常改变的大型互联

因特 (lnternet)是目前全世界用户数量最多的互联 ，它使用TCP/IP协议栈。

由于TCP/IP协议栈的 络层使用 际协议IP，它是整个协议栈的核心协议，因此在TCP/IP协议栈中 络层常称为 际层。

综上所述，我们通过学习TCP/IP协议栈的 际层来学习 络层的理论知识和实践技术。

络层的几个重要概念

络层提供的两种服务

面向连接的虚电路服务

• 虚电路与电路交换类似。
• 虚电路要求通信双方必须建立 络层的连接：虚电路（Virtual Circuit）
• 通信双方必须沿着建立的虚电路发送分组

由于 络本身不提供端到端的可靠传输服务，因此 络中的路由器可以做的比较简单，造价低廉（与电信 中的交换机相比）。因特 采用了这种设计思想。将复杂的 络处理功能置于因特 的边缘（用户主机和其内部的运输层）。相对简单的分组交付功能尽最大努力的置于因特 核心。

这样带来的好处显而易见：

• 使得 络造价大大降低。
• 运行方式灵活，能够适应多种应用。

数据 服务和虚电路服务对比：

络层的两个层面

在路由器之间传送的信息有以下两大类：

• 第一类是转发源主机和目的主机之间所传送的数据，把源主机所发送的分组，像接力赛跑那样从一个路由器转发到下一个路由器，最后把分组传送到目的主机。
• 第二类则是传送路由信息，是根据路由选择协议所使用的路由算法，彼此不断地交换路由信息分组，目的是为了在路由器中创建路由表，并由此导出为转发分组而用的转发表。这一类信息的传送是为第一类数据的传送服务的。

用下图的方法来描述，也就是把 络层抽象地划分为数据层面（或转发层面）和控制层面。

在某些具体条件下，特别是像一些大型的专好的经济效益。

虚拟互联 络

因为用户的需求是多种多样的，没有一种单一的 络能够适应所有用户的需求。

从一般的概念来讲，将 络互相连接起来要使用一些中间设备。根据中间设备所在的层次，可以有以下四种不同的中间设备：

• 物理层使用的中间设备叫作转发器(repeater)。
• 数据链路层使用的中间设备叫作 桥或桥接器(bridge)，以及交换机(switch)。
• 络层使用的中间设备叫作路由器(router)。
• 在 络层以上使用的中间设备叫作 关(gateway)。用 关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议的转换。

当中间设备是转发器或 桥时，这仅仅是把一个 络扩大了，而从 络层的角度看，这仍然是一个 络，一般并不称之为 络互连。 关由于比较复杂，目前使用得较少。因此现在我们讨论 络互连时，都是指用路由器进行 络互连和路由选择。路由器其实就是一台专用计算机，用来在互联 中进行路由选择。

下图(a)表示有许多计算机 络通过一些路由器进行互连。由于参加互连的计算机 络都使用相同的 际协议IP，因此可以把互连以后的计算机 络看成为下图(b)所示的一个虚拟互连 络。

所谓虚拟互连 络也就是逻辑互连 络，它的意思就是互连起来的各种物理 络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用协议IP就可以使这些性能各异的 络在 络层上看起来好像是一个统一的 络。

这种使用协议IP的虚拟互连 络可简称为IP 。

强调：互联 可以由多种异构 络互连组成。

有时可以把问题简化。我们可以想象IP数据 就在 络层中传送，传输路径可省略路由器之间的 络以及连接在这些 络上的许多无关主机。下图表示了这样的传输路径。

• 例如，$R_1$的下一跳是$R_2$，而$R_4$的下一跳是$R_5$。对于本例，$H_1$向$H_2$发送分组需要经过6跳。
• 每一跳两端的两个节点都必定直接连接在同一个 络上。
• 在上面所举的例子中，前5跳都是间接交付，只有最后一跳是直接交付。

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