计算机网络——网络层的基本原理

一、 网络层的功能和服务 (Network Layer Functions and Services)

我们可以把网络层想象成一个全球性的物流系统，它的核心任务是把一个“包裹”（也就是数据包）从全国任何一个地方的“发件人”（源主机）那里，送到另一个地方的“收件人”（目的主机）手中。无论中间要经过多少个城市、多少个中转站，网络层都要负责规划出一条路，把包裹送到。

这就是网络层的核心功能：实现任意两个网络节点之间的通信，完成端到端的传递 。为了完成这个任务，网络层主要做两件大事：

1. 交换 (Switching): 在路上的各个中转站（路由器）之间建立临时的连接，让数据包可以一站一站地传下去 。
2. 路由 (Routing): 从无数条可能的路径中，选择出一条最佳的路径来发送数据包。

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具体功能拆解

为了实现路由和交换，网络层需要具备以下几项具体功能：

• 信源到信宿的传输: 将许多段独立的物理链路（比如两台路由器之间的网线）连接起来，逻辑上形成一条完整的传输路径 。
• 逻辑寻址 (Logical Addressing): 在数据包的头部，贴上“发件人地址”和“收件人地址”的标签，也就是 源IP地址 和 目的IP地址。这个地址是网络层的地址，跟下一层（数据链路层）的MAC地址不同，它能唯一标识网络中的一台设备 。
• 路由 (Routing): 这是网络层的核心智慧所在。它需要根据目的地址，决定数据包的下一站应该去哪里，最终选择一条从起点到终点的最佳路径 。
• 地址转换: 在需要时，将网络层的IP地址翻译成数据链路层的物理地址（如MAC地址），反之亦然 。
• 复用 (Multiplexing): 让同一条物理线路可以同时传输来自不同设备的数据，提高线路利用率 。
• 流量和拥塞控制: 像交通警察一样，调节进入网络的数据流量，避免因为某个路段车辆（数据包）太多而造成“交通瘫痪”（网络拥塞） 。
• 网络互连: 解决各种不同类型的网络（如有线网、无线网）互相连接时遇到的问题。

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网络层提供的两种服务模型

网络层可以向上面的传输层提供两种不同风格的服务，这就像寄快递时你可以选择“普通快递”或“加急专送”一样。

1. 面向连接的服务 (Connection-Oriented Network Service - CONS)

这种服务模型可以比喻成 打电话 。

• 工作方式: 在通话（传输数据）前，必须先“拨号”建立一条连接，通话结束后再“挂断”拆除连接。整个过程分为 建立连接、传输数据、拆除连接 三个步骤 。
• 特点:
  • 一旦连接建立，所有的数据包都会沿着这条预先确定的路径（称为“虚电路”）传输，就像电话线一样 。
  • 路由器需要为这条连接保存状态信息，知道这个