5 The Network Layer¶
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本文档仅涉及部分内容，仅可用于复习重点知识
1 Overview of Network Layer¶
- 网络层：负责将数据包从发送方（源主机）跨越多个网络路由到接收方（目的主机）。它关注的是端到端的通信，可能跨越多个不同的物理网络。IP 协议是这一层的核心
- 数据链路层：负责在同一个本地网络内（例如，同一个以太网、同一个 Wi-Fi 网络内），将帧从一个设备（节点）传送到另一个直接相连的设备。它关注的是单跳通信，即在单一网段或物理链路上的数据传输。可以理解为负责最后一公里（或第一公里）的传输，确保数据在相邻设备间可靠传递
网络层的两个核心功能：
- forwarding（转发）：是路由器在收到一个数据包后所执行的即时动作。它查看数据包的目的地址，查询内部的转发表，然后决定该数据包应该从哪个具体的端口发送出去
- routing（路由）：是决定数据包从源到目的地的整条路径的过程。它通过运行路由协议（如 OSPF, BGP）来收集网络信息，计算最佳路径，并最终生成和更新每个路由器里的转发表
路由过程负责生成和更新转发表；而转发过程则使用这张转发表来实际运送每个数据包。简单来说，路由是决策，转发是执行
网络层设计的两个基本出发点：
- 对传输层的服务：网络层作为传输层的下层，需要为其提供服务。这里的关键设计抉择是提供面向连接的、可靠的虚电路服务（类似于电话系统），还是提供无连接的、尽最大努力交付的数据报服务（类似于邮政系统）。这个选择直接影响上层应用的开发
- 网络的内部设计：这关乎如何在网络内部实现数据包的传输。是使用虚电路方式（在通信前先建立一条逻辑路径），还是使用数据报方式（每个数据包独立路由）。这个内部设计可以与提供给上层的服务相互独立
store-and-forward packet switching（存储转发式分组交换）：这是网络层（也是早期计算机网络）实现数据转发的基础性机制。其工作流程可以分解为以下步骤：
- 接收与存储：当路由器从一条输入链路开始接收一个数据包时，它不会立即将正在接收的比特转发出去
- 完整接收：路由器会等待，直到整个数据包的所有比特都到达，并将其临时存储（缓存） 在内存中
- 处理与转发：在确认整个数据包已完整无误地到达后（例如，通过 CRC 校验），路由器才会查询其转发表，决定从哪条输出链路发送，然后开始将整个数据包转发到下一个节点
网络层服务的三个基本原则，其核心思想是简化上层并保持通用性：
- 独立性：网络层的服务不应该依赖于底层使用的特定路由器品牌或技术。这保证了上层应用能在各种硬件上运行
- 透明性（屏蔽复杂性）：传输层（以及更上层的应用程序）不应该关心网络底层到底有多少路由器、它们是什么型号、或者它们是如何连接（拓扑）的。网络层负责处理所有这些复杂性，为上层提供一个清晰的抽象接口
- 寻址一致性：整个网络应该使用一套统一的地址方案（如 IP 地址），这样任何主机都能用同样的方式寻址任何其他主机，无论它们位于网络的哪个位置
面向连接与无连接服务
- connection-oriented service：在发送数据之前，必须先通过信令建立一条确定的路径（虚电路）。所有数据包都按顺序沿着这条路径传输，传输结束后拆除连接。优点在于能提供有保证的服务质量
- connectionless service：每个数据包（数据报）都独立携带完整的目的地址，每个路由器根据当前网络状况为每个包独立选择路径。数据包可能走不同的路径，也可能不按顺序到达。优点是更健壮、更简单、无需建立连接的开销
在无连接服务中，网络层从传输层接收到数据后，会将其封装成独立的 datagram（数据报）。每个数据报都包含完整的目的地址。在发送数据之前，不需要像打电话一样先建立一条端到端的路径。每个数据报在网络中都是独立的个体。路由器会为每一个经过的数据报单独进行路由决策，即使它们属于同一个通信流。由于网络状况实时变化，同一源和目的地的不同数据报可能会通过不同的路径传输，从而导致乱序到达
forwarding table（转发表）是路由器进行转发决策的路线图。索引键是数据包的目的地址；对应值是为了到达该目的地，应该使用的输出接口或线路
在面向连接服务中，在通信开始之前，会先建立一条穿越网络的虚电路。这是一条预定义的路径，不同于物理电路，它是逻辑上的。每个数据包不再需要携带完整的目的地地址。取而代之的是，它只携带一个简短的连接标识符（例如，一个虚拟电路号或标签）。这个标识符在每段链路上是局部的，只在两个相邻路由器之间有意义。路由器根据数据包到达的输入接口和包内的标识符，结合其转发表，决定将其从哪个输出接口转发出去，并通常会将标识符替换为下一段链路使用的新的标识符
MPLS（多协议标签交换）
MPLS 是一种高性能的隧道技术，在 IP 网络之上提供面向连接的转发
路由器 A 为不同的连接分配不同的标识符，即使这些连接可能使用同一条虚电路。路由器可以根据这些标识符对数据进行不同的优先级处理或路由
| 数据报网络（无连接） | 虚电路网络（面向连接） | |
|---|---|---|
| 电路建立 | 不需要 | 必需 |
| 寻址 | 每个数据包都包含完整的源地址和目的地址 | 每个数据包包含一个简短的虚电路(VC)号 |
| 状态信息 | 路由器不保存连接的状态信息 | 每条虚电路都需要在路由器中占用每连接的表项空间 |
| 路由 | 每个数据包被独立路由 | 在虚电路建立时选择路由；所有数据包都遵循此路由 |
| 路由器故障的影响 | 没有影响，除了在故障期间丢失的数据包 | 所有经过故障路由器的虚电路都将被中断 |
| 服务质量 | 困难 | 如果能为每条虚电路预先分配足够的资源，则很容易实现 |
| 拥塞控制 | 困难 | 如果能为每条虚电路预先分配足够的资源，则很容易实现 |
2 Routing Algorithms¶
3 The Network Layer in The Internet¶
3.1 The IPv4 Datagram¶
报头结构：
- 固定部分：长度为 20 字节，包含 IP 数据报必须的基本字段
- 可选部分：长度可变，用于存放额外的控制信息
采用大端序网络字节顺序。数据比特的传输方向：先从左到右，再从上到下。这种顺序确保了不同系统间数据解释的一致性
Version
- 4 bit
- 功能：标识 IP 协议版本（IPv4 为 4，IPv6 为 6）
- 意义：允许网络在长期内平滑过渡到新版本协议，实现向后兼容
IHL
Internet Header Length
- 4 bit
- 计量单位：以 32 位字（4 字节）为单位计算首部长度
- 计算方式：实际字节数 = IHL 值 × 4 字节
- 取值范围：最小 5（20 字节），最大 15（60 字节）
- 实际应用：由于选项字段很少使用，绝大多数 IP 数据报的 IHL 值为 5，即标准的 20 字节首部
Different Service
Type of Service
- 8 bit
- 高 6 位：定义数据包的服务质量等级，允许网络设备根据应用需求提供不同的处理优先级
- 低 2 位：用于网络拥塞时的显式拥塞通知
- 应用示例：实时流量（IP 电话），非实时流量（FTP）
Total Length
- 16 bit
- 功能：定义整个 IP 数据报（首部 + 数据）的总长度
- 数值范围：0-65535 字节
- 实际上常见值 ≤ 1500字节，因为数据报大小通常受限于以太网的 MTU（最大传输单元）1500 字节，以避免在链路层进行分片，提高传输效率
Identification
- 16 bit
- 功能：唯一标识一个数据报的所有分片，同一个原始数据报的所有分片共享相同的标识值
DF and MF
DF（Don't Fragment）：设置为 1 时，指示路由器不要对该数据报进行分片，如果数据报超过路径 MTU 且 DF 位被设置，路由器将丢弃该数据报并返回错误信息。用于路径 MTU 发现机制
MF（More Fragment）：设置为 1 时，表示后面还有更多分片，最后一个分片的 MF 位设置为 0，表示分片结束
Fragment Offset
- 13 bit
- 功能：指示当前分片在原始数据报中的位置（以 8 字节为单位）
- 计算：实际字节偏移量 = 偏移值 × 8
- 限制：最大 8192 个分片（由于 13 位字段最大值为 8191）
Time to Live
TTL
- 功能：防止数据报在网络中无限循环
- 工作机制：初始由源主机设置一个值（通常为 64、128 等），每经过一个路由器，值减 1，当 TTL 值为 0 时，路由器丢弃数据包并发送 ICMP 超时消息给源主机
- 实际意义：虽然名为生存时间，但实际上是通过跳数限制来控制数据包的生命周期
Protocol
- 8 bit
- 核心功能：指定传输层协议类型，实现网络层到传输层的多路复用
- 常见协议编号：6：TCP（传输控制协议），面向连接的可靠传输；17：UDP（用户数据报协议），无连接的不可靠传输
- 协议号：连接网络层和传输层，确保数据被正确传递给相应的传输层协议
- 端口号：连接传输层和应用层，确保数据被正确传递给目标应用程序
Header Checksum
- 功能：检测 IP 首部在传输过程中是否发生错误
- 计算方法：将整个 IP 首部按 16 位（2 字节）分段，使用反码运算对所有 16 位字段进行求和，结果取反得到校验和值
- 验证过程：接收方将收到的首部（包括校验和字段）按同样方法计算，如果结果不为零，说明首部在传输中出错
- 逐跳更新：由于 TTL 字段每经过路由器都会减 1，选项字段也可能改变，因此每个路由器都必须重新计算校验和
- 仅保护首部：不保护数据部分，数据完整性由更高层协议（如 TCP）负责
Source Address and Destination Address
- 各 32 bit（4 字节）
- 源地址：标识发送数据报的主机
- 目的地址：标识接收数据报的目标主机
- 重要性：这两个字段是 IP 路由的基础，决定了数据报从源到目的地的传输路径
Options
这是 IP 首部的可变长度部分，用于提供额外的控制功能：
- 安全选项：定义数据报的安全等级和保密要求（实际中很少使用）
- 严格源路由：由发送方指定数据报必须经过的精确路径（每个路由器地址）
- 松散源路由：只指定必须经过的某些关键路由器，其余路径由网络决定
- 记录路由：每个处理数据报的路由器都会在选项中添加自己的 IP 地址，用于路径跟踪
- 时间戳：路由器不仅记录地址，还记录处理时间，用于网络性能分析
特点：
- 选项字段长度可变，最大 40 字节
- 实际网络中选项使用较少，因为会增加路由器处理负担
- 许多防火墙会拒绝带选项的数据报
Data
payload，有效负荷
包含实际要传输的高层协议数据（如 TCP 段、UDP 数据报、ICMP 消息等）。长度可变，受限于 IP 数据报总长度（最大 65535 字节）和 MTU 限制。是 IP 协议真正要传送的有用信息
3.2 Packet Fragmentation¶
不同网络技术的最大有效负荷：
- 以太网：1500 字节（最常见的 MTU 值）
- 802.11 无线网络：2304 字节（加密前的最大帧大小）
- IP 协议理论最大值：65515字节（总长度 65,355 减去 20 字节 IP 首部）
解决 MTU 不匹配的两种方案：
- 避免分片：使用路径 MTU 发现机制，源主机探测到目的地的整条路径上最小的 MTU，然后发送不超过该大小的数据包
-
接受分片：在需要时进行分片传输。存在两种重组策略
- transparent fragmentation：在分片发生后，由网络中的路由器负责重组，对端主机不可见
- nontransparent fragmentation：分片一直保持到目的主机，由最终接收方负责重组
Transparent Fragmentation
分片在网络内部（路由器）进行，重组也在网络内部（出口路由器）完成，最终主机看到的是完整的数据包，对分片过程无感知
存在的问题：
-
分片完整性识别问题：出口路由器需要确知是否已收到全部分片
- 解决方案：需要一个计数字段（记录总分片数量）或者一个结束标志位（如 IP 协议的 MF 位，当 MF = 0 时，说明是最后一个分片）
-
路由路径限制问题：所有分片必须经过同一个出口路由器。这违反了网络层的无状态设计原则，限制了负载均衡能力，降低了网络路由的灵活性，如果某个分片选择不同路径，重组将失败
Nontransparent Fragmentation
在需要分片的网络节点（路由器）进行分片，仅在最终目的主机进行重组，路由器只负责转发分片，不进行重组操作
优势：
- 降低路由器负担：路由器无需维护分片状态信息
- 提高网络灵活性：不同分片可以经过不同的网络路径
IPv4 实现这种策略：同一数据报的所有分片共享相同标识值，Fragment Offset 字段指示分片在原始数据报中的位置，MF 字段标记是否为最后一个分片。通过这些字段的组合，目的主机能够正确重组原始数据报
Path MTU Discovery
路径 MTU 发现机制
路径 MTU 是指从源到目的地整条路径上能够传输的最大数据包大小，这是路径上所有链路 MTU 的最小值
工作原理：源主机首先发送一个较大的数据包（通常设置 DF 不分片标志），如果中间路由器的 MTU 小于数据包大小，会丢弃数据包并返回 ICMP 需要分片错误消息，源主机根据返回的 MTU 信息减小数据包大小，重复此过程直到找到合适的路径 MTU
优势：避免分片（源端发送合适大小的数据包，避免中间节点分片）、动态适应（能够适应网络拓扑和 MTU 的变化）、提高效率
劣势：增加启动延迟（需要多次尝试-错误过程才能确定最佳 MTU）
3.3 IPv4 Addressing¶
IPv4 地址结构：
- 总长度：32 位二进制数，通常表示为点分十进制（如 192.168.1.1）
- 分层设计：包含网络部分和主机部分，与平坦的 MAC 地址形成鲜明对比
IP 地址标识的是网络接口，而非整台计算机，多宿主主机（连接多个网络）需要多个 IP 地址，路由器作为网络互联设备，必然拥有多个 IP 地址
IPv4 地址表示方法：
- dotted decimal notation：将 32 位地址分成 4 个 8 位组，每组转换为十进制数。每个数字范围 0-255（对应 8 位二进制）
- 十六进制表示：将 32 位地址直接转换为 8 位十六进制数
prefix：共享相同高位比特的连续地址块。通常写作网络地址/前缀长度（如 192.168.1.0/24）
3.3.1 Subnets¶
传统 IP 编址中，一个网络号对应一个物理网络。但当组织规模扩大时，单个大型网络会面临广播风暴，管理困难等问题
解决方案是进行子网划分：将一个大的 IP 地址块在内部逻辑上划分为多个子网络，每个子网有自己的子网标识，对外部网络仍显示为统一的网络地址
在划分子网的网络中，主路由器需要确定将入境数据包转发到哪个具体的子网
- 基于主机的路由表：维护一个庞大的路由表，为网络内每个主机地址单独指定出口线路。缺点是路由表规模庞大，占用大量内存
- 基于子网掩码的智能路由（实际采用方案）：使用按位与运算进行子网匹配，找到匹配的子网并转发
Classful Addressing
分类寻址是在 CIDR 技术出现之前的，将 IP 地址预先划分为几个固定类别
B 类网络对大多数组织来说太大，C 类又太小
Allocating Public IP Addresses
- 顶层机构：ICANN（互联网名称与数字地址分配机构），非营利组织，负责全球互联网标识符的协调管理，核心职责：IP 地址分配 + DNS 根服务器管理
- 区域性互联网注册机构（RIRs）：ARIN 北美地区，RIPE NCC 欧洲、中东和中亚地区，APNIC 亚太地区，LACNIC 拉丁美洲和加勒比地区，AfriNIC 非洲地区
- 本地组织：互联网服务提供商、大型企业等
- 终端用户：通过 DHCP 协议动态获取或静态配置 IP 地址
Classless InterDomain Routing
CIDR：无类别域间路由
随着互联网快速增长，核心路由器需要维护的路由表条目数量急剧增加，严重影响网络性能
解决方案：
- subnetting（子网划分）：将大的 IP 地址块划分为更小的子网
- route aggregation（路由聚合）：将多个连续的小地址块合并为一个大的地址前缀
前缀重叠：不同的路由条目可能匹配同一个目标 IP 地址。决策规则：选择匹配的所有路由中前缀长度最长的那条
假设目标 IP 为 192.168.1.5，路由表中有：192.168.0.0/16、192.168.1.0/24、192.168.1.0/28。路由器将选择 192.168.1.0/28，因为它的前缀最长，路由最具体
Subnetting vs. Aggregation
两者都能减少路由表规模，提高网络效率，优化 IP 地址空间利用率
子网划分：
- 企业内部网络分段
- 部门间网络隔离
- 提高地址利用效率
聚合：
- ISP 向上游路由通告
- 减少核心路由表条目
- 提高路由收敛速度
特殊 IP 地址：
-
0.0.0.0：默认地址- 使用场景：系统启动过程中或网络配置时
- 作为源地址：表示本主机
- 作为目标地址：表示本网络中的所有主机
- 实际应用：DHCP 客户端在获取 IP 前使用该地址
-
255.255.255.255：有限广播地址- 功能：本地网络广播
- 范围：仅在发送主机所在的物理网络段内有效
- 用途：网络发现协议，DHCP 客户端寻找服务器，本地网络管理
-
127.0.0.1：环回地址- 地址范围：127.0.0.0/8（127.0.0.1 - 127.255.255.254）
- 功能：本地环回测试
- 特性：数据包不进入物理网络，直接返回给发送主机，用于测试网络协议栈是否正常工作
- 常见用途：开发和测试网络应用程序