网络层概述

网络层作为 OSI 体系结构自下而上的第三层，其主要任务是 将分组从源主机经过多个网络和多段链路传输到目的主机。

一、网络层的核心功能

1.1 分组转发

当路由器从自己的某个接口所连接的链路（或网络）上收到一个分组后，将该分组从自己其他适当的接口转发给下一跳路由器或目的主机，这就是所谓的 “分组转发”。

每个路由器都需要维护自己的一个转发表，路由器根据分组首部中的转发标识在转发表中进行查询，根据查询结果所指示的接口进行分组转发。

说明

转发标识取决于具体的网络层，可能是分组的目的地址，也可能是分组所属连接的指示。

1.2 路由选择

源主机和目的主机之间可能存在多条路径，网络层需要决定选择哪一条路径来传送分组，这就是所谓的 “路由选择”。

路由选择方式主要有以下三种：

• 集中式路由选择：由某个 网络控制中心 执行路由选择，并向每个路由器下载路由信息。
• 分布式路由选择：在 每个路由器 上运行路由选择协议，各路由器相互交换路由信息并计算各自路由。
• 人工路由选择：由 网络运维人员 配置路由。

注意

• 路由选择生成的是路由表，路由表一般仅包含从目的网络到下一跳的映射，路由表需要对网络拓扑变化的计算最优化。
• 转发表是从路由表得出的，转发表的结构应当使查找过程最优化。

为了简单起见，后续讨论不严格区分路由表和转发表，而是以路由表来表述问题。

二、网络层向其上层提供的两种服务

2.1 面向连接的虚电路服务

面向连接的虚电路服务的核心思想是 “可靠通信应由网络自身来保证”。

1. 当两台计算机进行通信时，应当 先建立网络层的连接，也就是建立一条虚电路，以保证通信双方所需的一切网络资源。
2. 双方 沿着已建立的虚电路 发送分组。
3. 通信结束后，需要 释放之前所建立的虚电路。

注意

• 虚电路表示这是一条 逻辑上的连接，分组沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，而不是真正建立了一条物理连接。
• 分组的首部仅在连接建立阶段使用完整的目的主机地址，之后每个分组的首部只需要携带一条虚电路编号即可。

这种通信方式如果再使用可靠传输的网络协议，就可使所发送的分组最终正确（无差错按序到达、不丢失、不重复）到达接收方。

2.2 无连接的数据报服务

无连接的数据报服务的核心思想是 “可靠通信应当由用户主机来保证”。因特网就采用了这种设计思想。

1. 当两台计算机进行通信时，它们的 网络层不需要建立连接。
2. 每个分组可走不同的路径。因此 每个分组首部都必须携带目的主机的完整地址。
3. 通信结束后，没有需要释放的连接。

四、参考资料

• 《深入浅出计算机网络 微课视频》 (opens new window)
• 《深入浅出计算机网络》– 高军