网络层概述

1.转发和路由选择

网络层的作用单从表面来看比较简单：将分组从一台主机发送到另一台主机上。为此需要用到网络层的两种重要功能：

• 转发。当分组到达路由器的某条输入链路时，该路由器必须将分组移动到适合的输出链路。
• 路由选择。当分组从发送放流向接收方时，网络层必须决定这些分组所采用的的路由或路径。计算这些路径的算法被称为路由选择算法。

每台路由器中都具有一个关键元素————转发表。路由器检索到达分组首部的一个或多个字段，然后用这些字段在路由表中进行索引，通过此方法来转发分组。

2.网络服务模型

定义了分组在发送端和接收端之间的端到端运输特性。这些特性可能包括：

• 确保交互
• 具有时延上界的确保交付
• 有序分组交付
• 确保最小带宽
• 安全性

因特网的网络层提供了单一的服务，称为尽力而为服务。使用尽力而为的服务，传送的分组既不能保证以它们的顺序被接收，也不能保证它们最终交付。既不能保证端到端时延，也不能保证最小带宽。

网际协议

1.IPv4

(1) IPv4数据报格式

• 版本。4比特。规定了数据报的IP协议版本。
• 首部长度。4比特。用来确定IP数据报中荷载实际开始的地方。
• 服务类型(TOS)。8比特。使不同类型的IP数据报能够相互区分开来。
• 数据报长度。16比特。存储IP数据报的总字节长度。因为该字段为16比特，因此一个IP数据报的理论最大长度为65535字节。
• 标识、标志、片偏移。与IP分片相关。
• 寿命。用来确保数据报不会永远在网络中循环。
• 协议。指示了IP数据报的数据部分应该交给哪个特定的传输层协议。
• 首部校验和。用于帮助路由器检测收到的IP数据报中的比特错误。
• 源和目的地址。当某源生成一个数据报时，它在源IP字段中插入它的IP地址，在目的IP地址字段中插入其最终的目的地址。
• 选项。允许IP首部被扩展。
• 数据。

（2）IPv4数据报分片

一个链路层帧能承载的最大数据量叫做最大传送单元（MTU）。为了解决IP分组过大的问题，可以将IP数据报中的数据分片成多个较小的IP数据报，然后用链路层帧封账这些较小的数据报，而这些较小的数据报就是所谓的片。片在其到达目的地运输层以前需要重新组装。当一台目的主机从相同源收到一系列数据报时，它需要确定这些数据报中的某些是否是一些原来较大的数据报的片。如果是，则它必须进一步确认是何时收到了最后一片，并且如何将这些接收到的片拼接到一起形成初始的数据报。

（3）IPv4编址

每个IP地址的长度为32比特，因此总共有2^32个可能的IP地址。这些地址通常按照点分十进制的方式表示。例如192.168.0.1。通常，我们将几台通过路由器连接起来的一个局域网络称为一个子网。而子网掩码就是子网的IP地址划分方式。

因特网的地址分配策略被称为无类别域间路由选择。在CIDR被采用之前，IP地址的网络部分被限制为8、16或24位，这是一种分类编址的方案，而被分成不同为的IP地址通常也被称为A、B和C类网络。

2.IPv6

(1) IPv6数据报格式

• 扩大的地址容量。IPv6将地址长度从32位提升到了128位。这能确保IP地址不会被用尽。除了单播地址和多播地址外，IPv6还引入了任播地址，这种地址可以将数据报交付给一组主机中的任意一个。
• 简化高效的40字节首部。
• 流标签。用于给特殊流的分组加上标签。比如音频和视频。
• 版本。用于标识版本号
• 流量类型。与IPv4的服务类型相似。
• 有效荷载长度。IPv6数据报中跟在定长的40字节数据报首部后面的字节数量。
• 下一个首部。标识数据报中的内容需要交付给哪个协议。
• 跳限制。限制数据报的路由跳数。
• 源地址和目的地址。
• 数据。IPv6数据报的有效荷载部分。
• 分片/重新组装。IPv6数据报不允许在中间路由器上进行分片和重新组装。这种操作只能在源/目的主机上进行。
• 首部校验和。因为传输层和链路层都有进行相应的实现。因此被去除了。
• 选项。

（2）IPv4迁移到IPv6

现在已进行广泛采用的方法是利用建隧道的方式来进行IPv4向IPv6的迁移。假定两个IPv6节点要使用IPv6数据报进行交互，但它们是经由IPv4路由器互联的。我们将两台IPv6主机之间的IPv4路由器集合称为一个隧道。借助与隧道，在隧道发送端的IPv6节点可以将整个IPv6报文放到一个IPv4数据报的数据字段中。然后借由IPv4数据报进行传输。