网络层是计算机网络体系结构中的核心层次，负责将数据包从源主机跨越多跳网络设备（如路由器）传送到目的主机。它在数据链路层提供的相邻节点间帧传输服务之上，实现了端到端的逻辑通信。本文将聚焦网络层的核心概念、关键服务和基础协议。
一、网络层概述与核心服务
网络层的主要目标是实现主机到主机（端到端）的通信。它与数据链路层的根本区别在于：数据链路层负责同一链路（如一个局域网）上相邻设备间的数据传输，而网络层负责跨越不同链路、可能经由多个路由器的长距离数据传输。
网络层为传输层提供了两种核心服务模型：
- 无连接服务：以数据报网络为典型代表。每个数据包（称为数据报）独立路由，携带完整的目的地址。路由器根据转发表和路由算法为每个包选择下一跳。协议简单、健壮，但无法保证顺序、延迟和可靠性。互联网的IP协议即是此模型。
- 面向连接服务：以虚电路网络为典型代表。通信前需建立一条逻辑连接（虚电路），数据包沿此固定路径传输，只需携带简短的虚电路标识符。能保证顺序和服务质量，但建立和维护连接开销大。ATM网络是历史实例。
二、路由器：网络层的核心设备
路由器是实现网络层功能的关键设备，其核心任务是转发和路由。
- 转发：是路由器将输入端口的数据包移动到合适输出端口的本地操作。它通过查询转发表实现，是数据平面的功能。
- 路由：是确定数据包从源到目的所经路径的全局过程。路由算法通过交互信息动态建立和更新转发表，是控制平面的功能。
一个典型的路由器体系结构包含：
- 输入端口：执行物理层、数据链路层处理，并查找转发表决定输出端口。
- 交换结构：连接输入与输出端口，常见类型有经内存、总线和纵横式交换。
- 输出端口：从交换结构接收包，进行缓存、排队，并执行数据链路层和物理层处理。
- 路由处理器：执行路由协议，维护路由表并计算转发表。
三、网际协议（IP）与编址
互联网的网络层核心协议是IP协议，目前主要版本是IPv4。
1. IPv4数据报格式
一个IPv4数据报由首部和数据（来自传输层的段）组成。关键字段包括：
- 版本：IP协议版本，IPv4为4。
- 首部长度：指示首部长度（通常为20字节，无选项时）。
- 服务类型：用于区分服务（如延迟、吞吐量优先级）。
- 总长度：整个数据报的长度（字节）。
- 标识、标志、片偏移：用于IP分片与重组。
- 生存时间：防止数据报无限循环，每经路由器减1，为0时丢弃。
- 协议：指示数据部分应交给哪个上层协议（如6为TCP，17为UDP）。
- 首部校验和：仅对首部进行差错检测。
- 源IP地址和目的IP地址：32位的逻辑地址。
2. IPv4编址
每个接口（如网卡）都有一个全球唯一的IP地址。IPv4地址为32位，常以点分十进制表示（如192.168.1.1）。
- 分类编址：历史方法，将地址空间划分为A、B、C、D、E类，划分僵化导致地址浪费。
- 子网划分：将一个大的网络地址块进一步划分为多个子网。通过从主机号部分借位来创建子网号。通过子网掩码（一连串1后跟一连串0，1对应网络和子网号）来界定网络部分。
- 无类别域间路由：当前标准。使用网络前缀表示法，如
192.168.1.0/24，其中“/24”表示前24位是网络前缀。允许更灵活、聚合的地址分配。 - 私有地址：为解决IPv4地址耗尽，RFC 1918定义了私有地址空间（如10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16），可在内部网络重复使用，通过网络地址转换（NAT） 技术访问公网。
3. 动态主机配置协议（DHCP）
为主机动态分配IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器地址。采用客户端/服务器模式，通过发现、提供、请求、确认四步广播交互完成。
四、IP分片与重组
由于数据链路层帧有最大传输单元（MTU） 限制，当IP数据报长度超过出链路的MTU时，路由器必须将其分片。每个分片成为独立的IP数据报，拥有自己的首部（标识字段相同，片偏移指示位置）。最终由目的主机根据标识、标志和片偏移字段进行重组。
五、小结
本篇作为网络层学习的上篇，介绍了网络层的核心角色、服务模型、关键设备（路由器）以及互联网的基石——IPv4协议，涵盖了其数据报格式、编址方案和分片机制。理解这些基础概念是掌握网络层后续内容，如路由算法、IPv6、ICMP等协议的前提。网络层通过其尽力而为的无连接服务，将全球异构的网络互联起来，构成了互联网的骨架。在下篇中，我们将深入探讨路由算法、路由协议以及网络层的其他重要组件。
