网络层的功能

网络层的具体功能包括异构网络互联、路由与转发、拥塞控制；基本数据单位为IP数据报；中继系统是路由器。

异构网络互联

网络层所要完成的任务就是使不同的网络实现互联。所谓网络的互联是指将两个以上的计算机网络，通过一定的方法，用一种或多种通讯处理设备（即中间设备或者中继系统）相互连接起来，以构成更大的网络。网络层的中继系统是路由器。

路由与转发

路由器主要完成两个功能：路由选择和分组转发。前者扽觉特定的路由选择协议构造出路由表，同时经常或定期地和相邻路由器交换路由信息而不断地更新和维护路由表。后者处理用过路由器的数据流，关键操作时转发表查询、转发以及相关的队列管理和任务调度等。

拥塞控制

在通信子网中，由于出现过量的分组而引起网络性能下降的现象称为拥塞。

流量控制和拥塞控制的区别：流量控制往往是指在发送算和接收端之间点对点通信量的控制；而拥塞控制必须确保通信子网能够传送待传送的数据，是一个全局性的问题，涉及网络中所有的主机、路由器以及导致网络传输能力下降的所有因素。

拥塞控制的两种方法：

开环控制：在设计网络时事先将有关发生拥塞的因素全部考虑到，是一种静态的预防方法；
闭环控制：事先不考虑发生拥塞的因素，采用检测网络系统去监视，即使检测出那里发生拥塞，然后将拥塞信息传到合适的地方，是一种动态的方法。

网络层协议

网络层中涉及众多的协议，其中包括最重要的协议，也是TCP/IP的核心协议——IP协议。IP协议非常简单，仅仅提供不可靠、无连接的传送服务。IP协议的主要功能有：无连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。与IP协议配套使用实现其功能的还有地址解析协议ARP、动态主机配置协议DHCP、因特网报文协议ICMP。

IP协议详解

IP网际协议是 Internet 网络层最核心的协议。虚拟互联网络的产生：实际的计算机网络错综复杂；物理设备通过使用IP协议，屏蔽了物理网络之间的差异；当网络中主机使用IP协议连接时，无需关注网络细节，于是形成了虚拟网络。

IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互联的网络；并且解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题。

IP首部的部分重要字段含义如下：

版本指Ip协议的版本，占4位；
首部长度 占4位。以32位为单位，最大值为60字节（15*4字节），常用的首部长度是20字节。
总长度 占16位。指首部和数据之和的长度。
标识占16位。它是一个计数器，每产生一个数据报就加1，并赋值给标识字段。注意，它并不是“序号”。
标志占3位。标志字段的最低位为MF，MF=1表示后面还有分片；MF=0表示最后一个分片。标志字段中间一位是DF，只有当DF=0时才允许分片。
片偏移 占13位。它指出较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。
生存时间 占8位。数据报在网络中可哦那个过的路由器数的最大值。
协议占8位。指出此分组携带的数据是使用何种协议，即分组的数据部分应交给哪个传输层协议，如TCP、UDP等。
首部检验和 占16位。IP数据包的首部检验和只校验分组的首部，而不校验数据部分。
源地址 占4字节。标识发送方的IP地址。
目的地址 占4字节。标识接收方的IP地址。

IP数据报分片

一个链路层数据报能承载的最大数据量称为最大传送单元（MTU）。当IP数据报的总长度大于链路MTU时，就需要将IP数据报中的数据分装在两个或更多个较小的IP数据报中，这些较小的数据报叫做片，片在目的地的网络层被重新组装。

IP协议的转发流程

1）从数据报的首部提取目的主机的IP地址D，得出目的网络地址为N；

2）若网络N与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机D，这就叫路由器的直接交付；否则是间接交付，执行3)。

3）若路由表中有目的地址为D的特定主机路由（对特定的目的主机指明一个特定的路由，通常是为了控制或测试网络，或出于安全考虑才采用的），则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行4)。

4）若路由表中有到达网络N的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路由器；否则，执行5）。

5）若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行6）。

6）报告转发分组出错。

IP地址的子网划分和子网掩码

子网划分

IP地址是32 bit的全球唯一标识符，由网络号和主机号两部分组成。

前缀长度包含了网络号类别和网络号，A、B、C类的网络号类别长度分别为1、2、3bit。A、B、C类可以用于表示网络中的主机或路由器，D类地址作为组广播地址，E类是地址保留。

子网掩码

为了告诉主机或路由器对一个A类、B类、C类网络进行了子网划分，使用子网掩码来表达对原网络中主机号的借位。

A类、B类、C类地址的默认子网掩码分别为 255.0.0.0、255.255.0.0、255.255.255.0。例如，某主机的IP地址为136.34.5.56，子网掩码为255.255.255.0，进行逐位“与”运算后，得出该主机所在的子网的网络号为136.34.5.0.

网络地址转换

网络地址转换（NAT），是通过将专用网络地址（如企业内部Internet）转换为共用地址（如Internet），从而对外隐藏了内部管理的IP地址。它使得整个专用网只需要一个全球IP地址就可以与因特网连通，由于专用网本地IP地址是可重用的，所以NAT大大节省了IP地址的消耗。同时，它隐藏了内部网络结构，从而降低了内部网络受到攻击的风险。

对于NAT路由器，在它转发IP数据报时，一定会更换其IP地址，所以需要查看和转换输出层的端口号，这样一来，NAT路由器就“看到了”端口，所以它工作在传输层。

ARP协议、DHCP协议、ICMP协议简介

地址解析协议ARP

无论网络层使用什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终必须使用硬件地址。ARP就是用来完成IP地址到MAC地址的映射。

要完成地址映射的话，ARP就一定会“看到”IP地址，所以它工作在网络层。

ARP请求分组是广播发送的，但是响应分组是普通的单播。

从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知IP地址的主机或路由器进行通信，ARP协议就会自动地将这个IP地址解析为链路层所需要的硬件地址。

动态主机配置协议DHCP

DHCP常用于给主机动态地分配IP地址，它提供了即插即用联网的机制，这种机制允许一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手工参与。DHCP是应用层协议，它是基于UDP的。

网际控制报文协议ICMP

为了提高IP数据报交付成功的机会，在网络层使用了ICMP来允许主机或路由器报告差错和异常情况。ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。ICMP协议是IP层协议。

ICMP报文有两种类型：ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。

ICMP差错报告报文用于目标主机或到目标主机路径上的路由器向源主机报告差错和异常情况。一共有五种类型：终点不可达、源点抑制、时间超过、参数问题、改变路由（重定向）。

ICMP询问报文有四种类型：回送请求和回答报文、时间戳请求和回答报文、掩码地址请求和回答报文、路由询问和通告报文。

(四)计算机网络概述——网络层