《计算机网络微课堂》第四章 网络层

4-1 网络层概述

从本节课开始，我们进入第 4 章网络层的学习。

本节课我们对网络层进行概述。

网络层的主要任务是实现网络互连，进而实现数据包在各网络之间的传输，如图所示。

这些异构型网络，如果只是需要各自内部通信，他们只要实现各自的物理层和数据链入层即可，但是如果需要将这些异构型网络互连起来，形成一个更大的互联网，就需要使用网络层互联设备路由器。

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需要说明的是为了简单起见，有时我们可以不用画出这些网络，而将他们看作是一条链路即可。

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对于互联网而言，仅实现计算机网络体系结构中的物理层和数据链路层，是不能实现数据包在互联网中各网络之间传输的，要实现该功能，就要必须实现网络层，网络层需要解决以下主要问题：

首要问题是网络层应该向其上面的运输层提供怎样的服务，是可靠传输服务，还是不可靠传输服务？我们在之前的课程中曾介绍过，数据包在传输过程中可能会出现误码，也有可能由于路由器繁忙而被路由器丢弃，还有可能出现按序发送的数据包，不能按序到达接收方：

• 如果网络层对于上述传输错误不采取任何措施，则提供的是不可靠传输服务。
• 如果网络层对于上述传输错误采取措施，并使得接收方能正确接收发送方所发送的数据包，则提供的是可靠传输服务。
• 不同网络体系结构所提供的服务可能是不同的。例如因特网使用的 tcpip 协议体系的网际层，提供的是无连接的不可靠的数据报服务，而 ATM，帧中继和 X.25 的网络层提供的都是面向连接的可靠的虚电路服务。

网络层需要解决的第二个主要问题是寻址问题，例如 TCP/IP 协议体系的网际层使用 IP 地址，我们来举例说明：

• 这是网络 N1 上两个路由器接口各自所分配的 IP 地址，它们的前三个数是相同的，可以看作是他们所在网络的网络编号，而第 4 个数各不相同，用于区分这两个不同的路由器接口
• 这是网络 N3 上两个路由器接口各自所分配的 IP 地址，它们的前两个数是相同的，可以看作是他们所在网络的网络编号，而后两个数不完全相同，用于区分这两个不同的路由器接口
• 这是网络 N7 上两个路由器接口各自所分配的 IP 地址，它们的第一个数是相同的，可以看作是他们所在网络的网络编号，而后三个数不完全相同，用于区分这两个不同的路由器接口

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网络层需要解决的第三个主要问题是路由选择问题。我们来举例说明，如图所示，数据包从原站到达目的站，可以走这样一条路径，也可以走这样一条路径。对于本例还有其他路径可走，我们就要不一一演示了。

那么路由器收到数据包后，是依据什么来决定将数据包从自己的哪个接口转发出去的呢？这个问题在我们之前的课程中曾简单介绍过，不知大家是否还记得。没错，依据的是数据包中的目的地址和路由器中的路由表：

• 例如这是路由器 R1 的路由表，里面记录着路由器、R1 所知道的网络以及数据包要到达这些网络，应该从自己的哪个接口转发
• 假设 R1 知道数据包要到达网络 N7，下一跳，应将其转发给路由器 R4，则路由表中应该有这样一条记录
• 而数据包要到达网络 N6，下一跳，应将其转发给路由器 R2，则路由表装应该有这样一条记录

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请大家想想看，刚才是我们假设而已，知道这些路由记录，但在实践当中路由器是如何得出这样的路由记录呢？有两种方法：

• 一种是由用户或网络管理员进行人工配置，这种方法只适用于规模较小，且网络拓扑不改变的小型互联网
• 另一种是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。这种方法更适用于规模较大，且网络拓扑经常改变的大型互联网

因特网是目前全世界用户数量最多的互联网，它使用 4 层协议体系的 TCP/IP 协议栈，如图所示，由于 TCP/IP 协议栈的网络层需要网际协议 IP，它是整个协议栈的核心协议。因此在 TCP/IP 协议栈中，网络层常称为网际层。由于 TCP/IP 协议栈在全世界被广泛使用，因此在本章节的教学中，我们主要基于 TCP/IP 协议栈的网际层，来学习计算机网络体系结构中的网络层的理论知识和实践技术。

另外需要说明的是 TCP/IP 协议栈的网际层中除网际协议 IP 外，还包含有我们之前课程中已经介绍过的地址解析协议 ARP，以及在本章后续课程中将要介绍的网际控制报文协议 ICMP 和网际组管理协议 IGMP 等

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本节课的内容小结如下：

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