計算機網路第56講網路層

❶ 計算機網路-網路層-路由器的構成

路由器是一種具有多個輸入埠和多個輸出埠的專用計算機，其任務是轉發分組。從路由器某個輸入埠收到的分組，按照分組要去的目的地（即目的網路），把該分組從路由器的某個合適的輸出埠轉發給下一跳路由器。下一跳路由器也按照這種方法處理分組，直到該分組到達終點為止。路由器的轉發分組正是網路層的主要工作。

整個的路由器結構可劃分為兩大部分：路由選擇部分和分組轉發部分。

路由選擇部分也叫做控制部分，其核心構件是路由選擇處理機。 路由選擇處理機的任務是根據所選定的路由選擇協議構造出路由表，同時經常或定期地和相鄰路由器交換路由信息而不斷地更新和維護路由表。 分組轉發部分由三部分組成：交換結構、一組輸入埠和一組輸出埠（請注意：這里的埠就是硬體介面）。

交換結構(switching fabric)又稱為交換組織 ，交換結構是路由器的關鍵構件，它的作用就是根據轉發表(forwarding table)對分組進行處理，將某個輸入埠進入的分組從一個合適的輸出埠轉發出去，交換結構本身就是一種網路，但這種網路完全包含在路由器之中，因此交換結構可看成是「在路由器中的網路」。實現這樣的交換有多種方法，以下這三種方法都是將輸入埠 I1收到的分組轉發到輸出埠O2。

圖4-45(a)的示意圖表示 分組通過存儲器進行交換 。目的地址的查找和分組在存儲器中的緩存都是在輸入埠中進行的。若存儲器的帶寬（讀或寫）為每秒M個分組，那麼路由器的交換速率（即分組從輸入埠傳送到輸出埠的速率）一定小於M2。這是因為存儲器對分組的讀和寫需要花費的時間是同一個數量級。

圖4-45(b)是 通過匯流排進行交換 的示意圖。採用這種方式時，數據報從輸入埠通過共享的匯流排直接傳送到合適的輸出埠，而不需要路由選擇處理機的干預。但是，由於匯流排是共享的，因此在同一時間只能有一個分組在匯流排上傳送。當分組到達輸入埠時若發現匯流排忙（因為匯流排正在傳送另一個分組），則被阻塞而不能通過交換結構，並在輸入埠排隊等待。因為每一個要轉發的分組都要通過這一條匯流排，因此路由器的轉發帶寬就受匯流排速率的限制。現代的技術已經可以將匯流排的帶寬提高到每秒吉比特的速率，因此許多的路由器產品都採用這種通過匯流排的交換方式。

圖4-45(c)是 通過縱橫交換結構(crossbar switch fabric)進行交換 。這種交換機構常稱為互連網路(interconnection network),它有2N條匯流排，可以使N個輸入埠和N個輸出埠相連接，這取決於相應的交叉結點是使水平匯流排和垂直匯流排接通還是斷開。當輸入埠收到一個分組時，就將它發送到與該輸入埠相連的水平匯流排上。若通向所要轉發的輸出埠的垂直匯流排是空閑的，則在這個結點將垂直匯流排與水平匯流排接通，然後將該分組轉發到這個輸出埠。但若該垂直匯流排已被佔用（有另一個分組正在轉發到同一個輸出埠），則後到達的分組就被阻塞，必須在輸入埠排隊。

在圖4-42中，路由器的輸入和輸出埠裡面都各有三個方框，用方框中的1,2和3分別代表物理層、數據鏈路層和網路層的處理模塊。物理層進行比特的接收。數據鏈路層則按照鏈路層協議接收傳送分組的核。在把航的首部和尾部去後，分組就被送入網路層的處理模塊。若接收到的分組是路由器之間交換路由信總的分組（如RIP或OSPF分組等），則把這種分組送交路由器的路由選擇部分中的路由選擇處理機。若接收到的是數據分組，則按照分組首部中的目的地址查找轉發表，根據得出的結果，分組就經過交換結構到達合適的輸出埠。 一個路由器的輸入埠和輸出埠就做在路由器的線路介面卡上。

輸入埠 中的查找和轉發功能在路由器的交換功能中是最重要的。為了使交換功能分散化，往往把復制的轉發表放在每一個輸入埠中（如圖4-42中的虛線箭頭所示）。路由遠擇處理機負責對各轉發表的副本進行更新。這些副本常稱為「影子副本」(shadow ),分散化交換可以避免在路由器中的某一點上出現瓶頸。

「但在具體的實現中還是會遇到不少困難。問題就在於路由器必須以很高的速率轉發分組。最理想的情況是 輸入埠的處理速率能夠跟上線路把分組傳送到路由器的速率。這種速率稱為線速 （line speed  或 wirc  peed)。可以粗略地估算一下。設線路是0C-48鏈路，即2.5 Gbit/s。若分組長度為256位元組，那麼線速就應當達到每秒能夠處理100萬以上的分組。現在常用Mpps(百萬分組每秒)為單位來說明一個路由器對收到的分組的處理速率有多高。」

當一個分組正在查找轉發表時，後面又緊跟著從這個輸入埠收到另一個分組。這個後到的分組就必須在隊列中排隊等待，因而產生了一定的時延。

輸出埠 從交換結構接收分組，然後把它們發送到路由器外面的線路上。在網路層的處理模塊中設有一個緩沖區，實際上它就是一個隊列。當交換結構傳送過來的分組的速率超過輸出鏈路的發送速率時，來不及發送的分組就必須暫時存放在這個隊列中。數據鏈路層處理模塊把分組加上鏈路層的首部和尾部，交給物理層後發送到外部線路。

從以上可以看出，分組在路由器的輸入埠和輸出埠都可能會在隊列中排隊等候處理。若分組處理的速率趕不上分組進入隊列的速率，則隊列的存儲空間最終必定減少到零，這就使後面再進入隊列的分組由於沒有存儲空間而只能被丟棄。分組丟失就是發生在路由器中的輸入或輸出隊列產生溢出的時候。當然，設備或線路出故障也可能使分組丟失。

「轉發」和「路由選擇」的區別 ：在互聯網中， 「轉發」 就是路由器根據轉發表把收到的IP數據報從路由器合適的埠轉發出去。「轉發」僅僅涉及到一個路由器。但 「路由選擇」 則涉及到很多路由器，路由表則是許多路由器協同工作的結果。這些路由器按照復雜的路由演算法，得出整個網銘的拓撲變化情況，因而能夠動態地改變所選擇的路由，並由此構造出整個的路由表，路由表一般僅包含從目的網路到下一跳（用P地址表示）的映射，而轉發表是從路由表得出的。轉發表必須包含完成轉發功能所必需的信息。這就是說，在轉發表的每一行必須包含從要到達的目的網路到輸出埠和某些MAC地址信息（如下跳的乙太網地址)的映射。將轉發表和路由表用不同的數據結構實現會帶來一些好處，這是因為在轉發分組時，轉發表的結構應當使查找過程最優化，但路由表則需要對網路拓撲變化的計算最優化。路由表總是用軟體實現的，但轉發表則甚至可用特殊的硬體來實現。請讀者注意，在討論路由選擇的原理時， 往往不去區分轉發表和路由表的區別，而可以籠統地都使用路由表這一名詞。

❷ 網路層有什麼功能

網路層必須具有以下功能：

分組與分組交換：把從傳輸層接收到的報文封裝成分組（Packet，也稱為「包」）再向下傳送到數據鏈路層。

路由選擇：通過路由選擇演算法為分組通過通信子網選擇最適當的路徑。

網路連接復用：為分組在通信子網中節點之間的傳輸創建邏輯鏈路，在一條數據鏈路上復用多條網路連接（多採取時分復用技術）。
差錯檢測與恢復：一般用分組中的頭部校驗和進行差錯校驗，使用確認和重傳機制來進行差錯恢復。

服務選擇：網路層可為傳輸層提供數據報和虛電路兩種服務，但 Internet的網路層僅為傳輸層提供數據報一種服務。

網路管理：管理網路中的數據通信過程，將數據設法從源端經過若干個中間節點傳送到目的端，為傳輸層提供最基本的端到端的數據傳送服務。

流量控制：通過流量整形技術來實現流量控制，以防止通信量過大造成通信子網的性能下降。

擁塞控制：當網路的數據流量超過額定容量時，將會引發網路擁塞，致使網路的吞吐能力急劇下降。因此需要採用適當的控制措施來進行疏導。

網路互連：把一個網路與另一個網路互相連接起來，在用戶之間實現跨網路的通信。
分片與重組：如果要發送的分組超過了協議數據單元允許的長度，則源節點的網路層就要對該分組進行分片，分片到達目的主機之後,有目的節點的網路層再重新組裝成原分組。

❸ 網路層的概念

網路：英文一般翻譯為：internet 或network。簡單的來說，就是用物理鏈路將各個孤立的工作站或主機相連在一起，組成數據鏈路，從而達到資源共享和通信的目的。
凡將地理位置不同，並具有獨立功能的多個計算機系統通過通信設備和線路而連接起來，且以功能完善的網路軟體（網路協議、信息交換方式及網路操作系統等）實現網路資源共享的系統，可稱為計算機網路。

網路一詞有多種意義，可解作：
1、流量網路（flow network）也簡稱為網路(network)。一般用來對管道系統、交通系統、通訊系統來建模。有時特指計算機網路 (Computer Network)，或特指其中的互聯網 (Internet)由有關聯的個體組成的系統，如：人際網路、交通網路、政治網路。

2、由節點和連線構成的圖。表示研究諸對象及其相互聯系。有時用帶箭頭的連線表示從一個節點到另一個節點存在某種順序關系。在節點或連線旁標出的數值，稱為點權或線權，有時不標任何數。用數學語言說，網路是一種圖，一般認為它專指加權圖。網路除了數學定義外，還有具體的物理含義，即網路是從某種相同類型的實際問題中抽象出來的模型，習慣上就稱其為什麼類型網路，如開關網路、運輸網路、通信網路、計劃網路等。總之，網路是從同類問題中抽象出來的用數學中的圖論來表達並研究的一種模型。

計算機網路是用通信線路和通信設備將分布在不同地點的多台自治計算機系統互相連接起來，按照共同的網路協議，共享硬體、軟體和數據資源的系統。

實現網路的四個要素：

1、通信線路和通信設備
2、有獨立功能的計算機
3、網路軟體軟體支持
4、實現數據通信與資源共享

❹ 計算機網路（三）——網路層

網路層的 目的 是實現在任意結點間進行數據報傳輸，它的目的與鏈路層、物理層不是一樣的嗎？但是通過它數據可以在更大的網路中傳輸。

為了能使數據更好地在更大的網路中傳輸，網路層主要實現三個功能： 異構網路互聯 、 路由與轉發 和 擁塞控制 。

我們知道，在物理層、鏈路層，可以使用不同的傳輸介質和拓撲結構將幾台、十幾台主機連接在一起形成一個小型的區域網，把這些組成結構不完全相同的區域網稱為異構網，因此將它們連接擴大成更大的網路，需要一個類似轉接頭的設備——路由器，路由器不僅僅可以連接異構網，還能隔離沖突域和廣播域，依照IP地址轉發。

下圖對集線器、網橋、交換機和路由器能否隔離沖突域和廣播域進行比較：

路由器作為連接多個網路的結點，不僅需要完成對數據的分組轉發，還要選擇傳輸路徑，因此路由器主要由 路由選擇 和 分組轉發 組成。

網路層最重要的功能是 路由與轉發 功能。路由也就是選擇一條合適的路，轉發則是在這條路上遵守協議。這有點像從某個多個國家的交界城市自駕，選其中一條路，那麼就遵守這個國家的交通協議。

數據通過一個又一個路由器到達目的地址，路由器怎麼知道數據應該從哪個埠出發才能到達目的地呢？這就需要構造路由表。
路由表有兩種構造方式： 靜態 和 動態 。

一個個小網路可以構成一個區域，足夠多的區域互連成一個網路，多個網路又形成巨大的互聯網。要想讓數據高效在網路中傳輸，採用「分而治之」的理念。
將互聯網分為許多較小的自治系統，系統有權決定自己內部採用什麼路由協議，這便是層次路由。通過層次路由便可以採用靈活的協議傳輸數據。數據在自治系統內傳輸採用 內部網關協議 而自治系統之間則採用 外部網關協議 。

內部網關協議有兩種協議： 路由信息協議（RIP） 和 開放最短路徑優先協議（OSPF）

外部網關協議則是邊界網關協議（BGP）。內部網關協議服務某個自治系統，范圍較小，所以盡可能有效地從源站送到目的站，也就是找到一條最佳路徑。而外部網關協議需要面對更大的網路范圍和網路環境，因此更關注的找到比較好的路徑，也就是不能兜圈子。

BGP工作原理：

將三種路由協議進行比較：

構建大規模、異構網路的互聯網除了硬體的支持外，還需要建立協議以實現數據報傳輸服務——IP協議。
目前IP協議有兩個版本：IPv4和IPv6。

現在主流的IP協議版本還是IPv4。

IP數據報主要由首部和數據部分組成，由TCP報文段封裝到數據部分，再在前端加上一些描述信息的首部，其格式如下圖：

IP協議使用分組轉發，當報文過大時需要分片。分片的思路如下：

如果把IP數據報看作是信，那麼首部中的源地址與目的地址則分別是發信地址和郵件地址。為了方便路由計算這些地址，並且使IP地址足夠使用，因此將IP地址進行分類。

IP地址的格式 ： {<網路號>,<主機號>}，網路號標志主機所連接的網路，主機號標志該主機，每個IP地址都是唯一的。

IP地址分類 如下：

通過分類，可以計算每個網路中最大的主機數：

網路地址轉換（NAT）是一種轉換機制，將專用網路地址轉換為公用地址，目的是為了對外隱藏內部管理的IP地址，這樣不僅可以保證網路安全，還可以解決IP地址不足問題。
當路由器接收到的目的地址是私有地址則一律不進行轉發，而如果是公用地址，則是用NAT轉換表將源IP及埠號映射成全球IP號，然後從WAN埠發送到網際網路上。

IP地址有A、B、C類網路號，如果把A類網路號分給一個廣播域，那麼這個廣播域可以接入16,777,212台主機，然而一個廣播域不可能融入這么多台主機，因為這樣會導致廣播域過飽和而癱瘓，而只給其分配一定數量的網路號，則會浪費大量的IP地址。因此在IP地址中增加一個「子網號欄位」，將IP地址劃分為三級，即IP地址={<網路號>,<子網號>,<主機號>}，也就是從主機號中借用幾個比特號作為子網號，這個子網號是對內劃分的，對外仍舊表現為二級IP地址。

主機或路由器如何判斷一個網路是否進行子網劃分了呢？——利用子網掩碼。

CIDR是 無分類 域間路由器選擇，目的是消除A、B、C類網路劃分，這樣可以大幅度提高IP地址空間利用率。相比較子網掩碼劃分，它更加靈活。

上圖中，如果R1收到前綴為206.1的IP地址，它只需要轉發給R2，具體發往網路1還是網路2，則由R2計算得出。

通過IP地址，可以將數據從某個網路傳輸到目的網路，但是把信息發送給哪台主機呢？由於路由器的隔離，IP網路沒辦法使用廣播方式查找MAC地址，只有通過鏈路層的MAC地址以廣播方式定址。
因此，IP協議還包括三個協議—— ARP、DHCP和ICMP ，共同配合完成數據轉發。

IPv6是解決IP地址耗盡的根本手段。它與IPv4的報文形式差別如下圖：

IPv6與IPv4地址通信示意圖：

在通信過程中，如果分組過量而導致網路性能下降，會產生擁塞。

擁塞的控制方式：

❺ 計算機網路的網路層的功能

計算機網路中，網路層的功能是包括定址和路由選擇、連接的建立、保持和終止等。它提供的服務使傳輸層不需要了解網路中的數據傳輸和交換技術。如果您想用盡量少的詞來記住網路層，那就是"路徑選擇、路由及邏輯定址"。網路層的目的是實現兩個端系統之間的數據透明傳送。

網路層中涉及眾多的協議，其中包括最重要的協議，也是TCP/IP的核心協議——IP協議。IP協議非常簡單，僅僅提供不可靠、無連接的傳送服務。IP協議的主要功能有：無連接數據報傳輸、數據報路由選擇和差錯控制。與IP協議配套使用實現其功能的還有地址解析協議ARP、逆地址解析協議RARP、網際網路報文協議ICMP、網際網路組管理協議IGMP。

(5)計算機網路第56講網路層擴展閱讀：

計算機網路體系結構的通信協議劃分為七層，自下而上依次為：物理層（Physics Layer）、數據鏈路層（Data Link Layer）、網路層（Network Layer）、傳輸層（Transport Layer）、會話層（Session Layer）、表示層（Presentation Layer）、應用層（Application Layer）。其中第四層完成數據傳送服務，上面三層面向用戶。

除了標準的OSI七層模型以外，常見的網路層次劃分還有TCP/IP四層協議以及TCP/IP五層協議。

大多數的計算機網路都採用層次式結構，即將一個計算機網路分為若干層次，處在高層次的系統僅是利用較低層次的系統提供的介面和功能，不需了解低層實現該功能所採用的演算法和協議；較低層次也僅是使用從高層系統傳送來的參數，這就是層次間的無關性。因為有了這種無關性，層次間的每個模塊可以用一個新的模塊取代，只要新的模塊與舊的模塊具有相同的功能和介面，即使它們使用的演算法和協議都不一樣。

❻ 計算機網路互聯的主要層次有哪些

1、物理層：用於不同地理范圍內的網段的互連。工作在物理層的網路設備是中繼器、集線器。

2、數據鏈路層：用於互連兩個或多個同一類的區域網，傳輸幀。工作在數據鏈路層的網間設備是橋接器（或網橋）、交換機。

3、網路層：主要用於廣域網的互連中，工作在網路層的網間設備是路由器、第三層交換機。

4、高層：用於在高層之間進行不同協議的轉換，工作在第三層的網間設備稱為網關。

(6)計算機網路第56講網路層擴展閱讀：

在兩個計算機網路中，為了連接各種類型的主機，需要多個通信處理機構成一個通信子網，然後將主機連接到子網的通信處理設備上。當要在兩個網路間進行通信時，源網可將分組發送到互聯網上，再由互聯網把分組傳送給目標網。

當利用網關把A和B兩個網路進行互連時，需要兩個協議轉換程序，其中之一用於A網協議轉換為B網協議，另一程序則進行相反的協議轉換。