網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層需要完成的任務之一就是使異構(gòu)的網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)苗膝。所謂網(wǎng)絡互聯(lián)是指將兩個以上的計算機網(wǎng)絡，通過一定的方法，用一種或多種通信處理設備（中間設備）相互連接起來，以構(gòu)成更大的網(wǎng)絡系統(tǒng)铲球。
網(wǎng)絡互聯(lián)通常指用路由器進行網(wǎng)絡互聯(lián)和路由選擇。路由器就是一臺專用計算機晰赞，用于在互聯(lián)網(wǎng)中進行路由選擇。
路由器主要完成兩個功能：
1）路由選擇：按照復雜的分布式算法选侨，根據(jù)從各相鄰路由器所得到的關于整個網(wǎng)絡拓撲的變化情況掖鱼，動態(tài)地改變所選擇的路由
2）分組轉(zhuǎn)發(fā)：路由器根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表將用戶的IP數(shù)據(jù)報從合適的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去
擁塞：在通信子網(wǎng)中，由于出現(xiàn)過量的分組而引起網(wǎng)絡性能下降的現(xiàn)象
流量控制和擁塞控制的區(qū)別：流量控制往往是指控制發(fā)送端和接收端之間的點對點通信量援制，抑制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率戏挡，以便接收端來得及接收。而擁塞控制必須確保通信子網(wǎng)能夠傳送待傳送的數(shù)據(jù)晨仑，是一個全局性的問題褐墅，涉及網(wǎng)絡中的所有主機、路由器以及導致網(wǎng)絡傳輸能力下降的所有因素洪己。

• 路由算法
  靜態(tài)路由算法：由網(wǎng)絡管理員手工配置路由信息
  動態(tài)路由算法：路由器上的路由表項是通過相互連接的路由器之間彼此交換信息妥凳，然后按照一定的算法優(yōu)化出來的，而這些路由信息在一定時間間隙里不斷更新答捕，以適應不斷變化的網(wǎng)絡逝钥，隨時獲得最優(yōu)的尋路效果
  常見的動態(tài)路由算法可分為兩類：

  • 距離-向量路由算法（RIP算法）
    所有結(jié)點都定期地將它們的整個路由選擇表傳送給所有與之直接相鄰的節(jié)點。這種路由選擇表包括：每條路徑的目的地（另一結(jié)點）和路徑的代價（距離）
    這里距離是一個抽象的概念拱镐，可以是跳數(shù)：從源端口到目的端口所經(jīng)過的路由個數(shù)
  • 鏈路狀態(tài)路由算法（OSPF算法）
    要求每個參與該算法的結(jié)點都有完全的網(wǎng)絡拓撲信息艘款。它們執(zhí)行兩個任務：一是主動測試所有鄰接結(jié)點的狀態(tài)持际；二是定期地將鏈路狀態(tài)傳播給所有其他結(jié)點（路由結(jié)點）。一個結(jié)點檢查所有直接鏈路的狀態(tài)哗咆，并將所得的狀態(tài)信息發(fā)送給網(wǎng)上的其他所有結(jié)點蜘欲，不僅僅是那些直接相連的結(jié)點。一旦鏈路狀態(tài)發(fā)生了變化晌柬，結(jié)點對更新了的網(wǎng)絡圖利用Dijkstra單源最短路徑算法重新計算路由芒填。

  兩者比較：
  距離向量路由算法中每個結(jié)點僅與它的直接鄰居交談，它為它的鄰居提供了從自己到網(wǎng)絡中所有其他結(jié)點的最低費用估計空繁。鏈路狀態(tài)算法中每個結(jié)點通過廣播的方式與所有其他結(jié)點交談殿衰，但它僅告訴它們與它直接相連的鏈路的費用。

• 層次路由
  因特網(wǎng)將整個互聯(lián)網(wǎng)劃分為許多較小的自治系統(tǒng)（一個自治系統(tǒng)里面包含很多局域網(wǎng)）盛泡，每個自治系統(tǒng)有權(quán)自主決定本系統(tǒng)內(nèi)采用何種路由選擇協(xié)議闷祥。同時也需要一種在兩個自治系統(tǒng)之間通信的協(xié)議。

  • 一個自治系統(tǒng)內(nèi)部所使用的路由選擇協(xié)議稱為內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議（IGP）傲诵，具體的有RIP和OSPF協(xié)議
  • 自治系統(tǒng)之間的路由選擇協(xié)議稱為外部網(wǎng)關協(xié)議（EGP）凯砍，具體的有BGP協(xié)議(邊界網(wǎng)關協(xié)議，只力求找到一條能到達目的網(wǎng)絡的較好的路由拴竹，而并非最佳路由悟衩，是應用層協(xié)議，基于TCP)

• IPv4地址
  連接在Internet中的每臺主機都分配一個32比特的全球唯一標識符栓拜，即IP地址座泳。
  在同一個局域網(wǎng)上的主機或路由器的IP地址中的網(wǎng)絡號必須是一樣的。路由器總是具有兩個或以上的IP地址幕与，路由器的每個端口都有一個不同網(wǎng)絡號的IP地址挑势。

• 網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換（NAT）
  通過將專用網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換為公用地址，從而對外部隱藏了內(nèi)部管理的IP地址啦鸣，使得整個專用網(wǎng)只需一個全球IP地址就可以與因特網(wǎng)連通潮饱。
  為了網(wǎng)絡安全，劃分了部分IP地址為私有IP地址诫给，私有IP地址只用于LAN香拉，不用于WAN，并且允許私有IP地址被LAN重復使用中狂。在因特網(wǎng)中的所有路由器對目的地址是私有地址的數(shù)據(jù)報一律不進行轉(zhuǎn)發(fā)凫碌，這種采用私有IP地址的互聯(lián)網(wǎng)稱為專用互聯(lián)網(wǎng)或本地互聯(lián)網(wǎng)。私有IP地址也稱為可重用地址吃型。
  當使用本地地址的主機和外界通信時证鸥，NAT路由器使用NAT轉(zhuǎn)發(fā)表將本地地址轉(zhuǎn)換成全球地址，或?qū)⑷虻刂忿D(zhuǎn)換成本地地址，這樣可以讓多個私有IP地址映射到同一個全球IP地址枉层。

• 劃分子網(wǎng)
  從主機號借用若干個比特作為子網(wǎng)號泉褐，當然主機號也就減少了相應的比特。IP地址=網(wǎng)絡號+子網(wǎng)號+主機號

  • 子網(wǎng)掩碼
    為了告訴主機或路由器對一個A類鸟蜡，B類膜赃，C類網(wǎng)絡進行了劃分，使用子網(wǎng)掩碼來表達對原網(wǎng)絡中主機號的借位揉忘。子網(wǎng)掩碼的作用就是將某個IP地址劃分成網(wǎng)絡地址和主機地址兩部分跳座。
    子網(wǎng)掩碼是一個與IP地址相對應的長32bit的二進制串，它由一串1和一串0組成泣矛，1對應IP地址中的網(wǎng)絡號和子網(wǎng)號疲眷，0對應主機號。計算機只需將IP地址和其對應的子網(wǎng)掩碼逐位相與您朽，就可得出相應子網(wǎng)的網(wǎng)絡地址狂丝。
  • 無分類域間路由選擇（CIDR）
    是在變長子網(wǎng)掩碼的基礎上提出的一種消除傳統(tǒng)A、B哗总、C類網(wǎng)絡劃分几颜，使用網(wǎng)絡前綴的概念代替子網(wǎng)絡的概念。IP地址=網(wǎng)絡前綴+主機號

• ARP協(xié)議
  無論網(wǎng)絡層使用什么協(xié)議讯屈，在實際鏈路上傳送數(shù)據(jù)幀時蛋哭，最終必須使用硬件地址。所以需要用地址解析協(xié)議來完成IP地址到MAC地址的映射涮母。每個主機都設有一個ARP高速緩存谆趾，存放本局域網(wǎng)上各主機和路由器的IP地址到MAC地址的映射表，稱為ARP表
  ARP協(xié)議由于看到了IP地址哈蝇，所以工作在網(wǎng)絡層棺妓；NAT協(xié)議由于看到了端口，所以工作在傳輸層炮赦。

• DHCP協(xié)議
  動態(tài)主機配置協(xié)議，常用于給主機動態(tài)地分配IP地址样勃，它提供了即插即用聯(lián)網(wǎng)機制吠勘，允許一臺計算機加入新的網(wǎng)絡和獲取IP地址而不用手工參與。DHCP是應用層協(xié)議峡眶，基于UDP的剧防。

• ICMP協(xié)議
  為了提高IP數(shù)據(jù)報交付成功的機會，在網(wǎng)絡層使用了網(wǎng)際控制報文協(xié)議來允許主機或路由器報告差錯和異常情況辫樱。常見應用時ping（用來測試兩個主機間的連通性）和traceroute（跟蹤分組經(jīng)過的路由）峭拘，ping工作在應用層，但是使用的是網(wǎng)絡層的ICMP協(xié)議。

• IPv6
  要解決IP地址耗盡的問題鸡挠，措施有三種：①采用無類別編址CIDR辉饱，使IP地址的分配更合理 ②采用NAT方法節(jié)省全球IP地址 ③采用具有更大地址空間的IP協(xié)議IPv6，地址128位拣展。
  IPv4向IPv6過渡可以采用雙協(xié)議棧和隧道技術(shù)：雙協(xié)議棧是指一部分主機或路由器裝有兩個協(xié)議棧彭沼，通過其進行轉(zhuǎn)換；隧道技術(shù)是將整個IPv6數(shù)據(jù)報封裝到IPv4數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)部分备埃，這樣使IPv6數(shù)據(jù)報可以在IPv4網(wǎng)絡的隧道中傳輸姓惑。

• 組播
  讓源計算機一次發(fā)送的單個分組可以抵達用一個組地址標識的若干臺目標主機，并被它們正確接收按脚。組播一定僅應用于UDP于毙，它對于將報文同時送往多個接收者的應用十分重要，如視頻會議辅搬。