在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的五層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層扮演著承上啟下、至關(guān)重要的角色。它位于運(yùn)輸層之下、數(shù)據(jù)鏈路層之上，其核心任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包從源主機(jī)到目的主機(jī)的端到端傳輸，跨越多個(gè)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。本部分將重點(diǎn)探討網(wǎng)絡(luò)層的核心功能與關(guān)鍵協(xié)議。
一、網(wǎng)絡(luò)層的核心功能
網(wǎng)絡(luò)層的主要職責(zé)可以概括為以下幾點(diǎn)：
- 路由選擇：這是網(wǎng)絡(luò)層最核心的功能。當(dāng)數(shù)據(jù)包需要從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備（主要是路由器）需要根據(jù)特定的路由算法，為數(shù)據(jù)包選擇一條從源到目的的最佳或合適的路徑。這個(gè)過(guò)程依賴于路由器內(nèi)部維護(hù)的路由表。
- 分組轉(zhuǎn)發(fā)：在確定了數(shù)據(jù)包的下一跳地址后，路由器將數(shù)據(jù)包從正確的接口發(fā)送出去。轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程是路由選擇結(jié)果的直接執(zhí)行。
- 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連：現(xiàn)實(shí)世界存在以太網(wǎng)、Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等多種類型的物理網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)定義統(tǒng)一的IP協(xié)議，屏蔽了下層數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的差異，使得這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠相互通信，構(gòu)成了全球統(tǒng)一的互聯(lián)網(wǎng)。
- 擁塞控制：雖然不是所有網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議都直接處理?yè)砣獻(xiàn)P協(xié)議族中的一些機(jī)制（如源抑制報(bào)文，現(xiàn)已較少使用）和上層協(xié)議（如TCP）會(huì)協(xié)同工作，以避免網(wǎng)絡(luò)因流量過(guò)大而性能急劇下降。
二、關(guān)鍵協(xié)議：網(wǎng)際協(xié)議IP
在網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol, IP） 是毋庸置疑的核心。目前廣泛使用的是IPv4，而IPv6正在逐步普及。
- IPv4數(shù)據(jù)報(bào)格式：
- 版本：標(biāo)識(shí)IP協(xié)議版本（如4）。
- 首部長(zhǎng)度：指示IP首部的長(zhǎng)度。
- 服務(wù)類型：用于區(qū)分不同服務(wù)質(zhì)量的數(shù)據(jù)包。
- 總長(zhǎng)度：指整個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)（首部+數(shù)據(jù)）的長(zhǎng)度。
- 標(biāo)識(shí)、標(biāo)志、片偏移：這三個(gè)字段共同用于處理IP數(shù)據(jù)報(bào)的分片與重組，以適應(yīng)不同數(shù)據(jù)鏈路層的最大傳輸單元（MTU）。
- 生存時(shí)間（TTL）：數(shù)據(jù)報(bào)每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器，TTL值減1。當(dāng)TTL為0時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)被丟棄。這防止了數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中無(wú)限循環(huán)。
- 協(xié)議：指示上層使用何種協(xié)議（如TCP為6，UDP為17），以便目的主機(jī)將數(shù)據(jù)交付給正確的運(yùn)輸層實(shí)體。
- 首部檢驗(yàn)和：用于校驗(yàn)IP首部在傳輸過(guò)程中是否出錯(cuò)。
- 源IP地址和目的IP地址：這是IP數(shù)據(jù)報(bào)的“起點(diǎn)”和“終點(diǎn)”，是全局唯一的邏輯地址，是實(shí)現(xiàn)路由的基礎(chǔ)。
- IP地址與子網(wǎng)劃分：
- IPv4地址是一個(gè)32位的二進(jìn)制標(biāo)識(shí)符，通常用點(diǎn)分十進(jìn)制表示（如192.168.1.1）。它由網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)兩部分組成。網(wǎng)絡(luò)號(hào)標(biāo)識(shí)主機(jī)所屬的網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)號(hào)標(biāo)識(shí)該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的特定主機(jī)。
- 為了更靈活地分配IP地址和管理網(wǎng)絡(luò)，引入了子網(wǎng)劃分技術(shù)。通過(guò)從主機(jī)號(hào)中借用若干位作為子網(wǎng)號(hào)，可以將一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)較小的子網(wǎng)。判斷IP地址屬于哪個(gè)子網(wǎng)，需要結(jié)合子網(wǎng)掩碼進(jìn)行“與”運(yùn)算。
- 地址解析協(xié)議（ARP）：
- 雖然ARP工作在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層之間，但它對(duì)于IP層的運(yùn)行至關(guān)重要。ARP的作用是在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，根據(jù)已知的IP地址，查詢其對(duì)應(yīng)的MAC地址（物理地址）。因?yàn)閿?shù)據(jù)包在實(shí)際的物理鏈路上傳輸時(shí)，最終使用的是MAC地址，而非IP地址。
三、網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備：路由器
路由器是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層功能的關(guān)鍵硬件設(shè)備。它內(nèi)部包含：
- 路由選擇處理器：執(zhí)行路由協(xié)議，生成和維護(hù)路由表。
- 交換結(jié)構(gòu)：根據(jù)路由表，在輸入端口和輸出端口之間高速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。
- 輸入/輸出端口：連接物理鏈路，完成數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送。
路由器通過(guò)運(yùn)行路由協(xié)議（如RIP、OSPF、BGP等）自動(dòng)學(xué)習(xí)和交換路由信息，動(dòng)態(tài)更新路由表，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?/p>
小結(jié)
網(wǎng)絡(luò)層（上）部分，我們聚焦于其核心的“路由與轉(zhuǎn)發(fā)”功能，并深入剖析了核心協(xié)議IP（IPv4）的數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)、地址管理以及相關(guān)的ARP協(xié)議。理解這些內(nèi)容是掌握互聯(lián)網(wǎng)如何工作的基石。在（下）部分，我們將繼續(xù)探討網(wǎng)絡(luò)層的其他重要主題，如IP組播、移動(dòng)IP、虛擬專用網(wǎng)（VPN）以及下一代網(wǎng)際協(xié)議IPv6等。
