在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的五層或TCP/IP四層模型中,網(wǎng)絡(luò)層(又稱網(wǎng)際層)扮演著承上啟下、貫通全局的樞紐角色。它位于數(shù)據(jù)鏈路層之上,傳輸層之下,其核心使命是為數(shù)據(jù)包在復(fù)雜的、可能由異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)而成的龐大系統(tǒng)中,提供端到端的邏輯通信服務(wù)。如果說(shuō)數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)的是同一物理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)“一跳”的可靠傳輸,那么網(wǎng)絡(luò)層關(guān)注的則是跨越多個(gè)網(wǎng)絡(luò)、從源主機(jī)到目的主機(jī)的“全程”路徑選擇與數(shù)據(jù)交付。
網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵功能與核心協(xié)議主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
- IP協(xié)議與尋址:網(wǎng)絡(luò)層的基石是網(wǎng)際協(xié)議(IP,目前主要是IPv4和IPv6)。IP協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包的基本格式——IP數(shù)據(jù)報(bào),并規(guī)定了在整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)唯一標(biāo)識(shí)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的IP地址。IP地址是邏輯地址,與數(shù)據(jù)鏈路層的物理地址(如MAC地址)不同,它具有層次結(jié)構(gòu)(網(wǎng)絡(luò)號(hào)+主機(jī)號(hào)),這使得大規(guī)模路由成為可能。子網(wǎng)劃分、無(wú)分類域間路由(CIDR)等技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了地址的分配與聚合。
- 路由選擇:這是網(wǎng)絡(luò)層最核心、最復(fù)雜的職能。路由器作為網(wǎng)絡(luò)層的核心設(shè)備,其內(nèi)部維護(hù)著路由表。路由選擇協(xié)議(如RIP、OSPF、BGP等)通過(guò)路由器之間交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ瑒?dòng)態(tài)地建立和更新路由表,從而為每個(gè)進(jìn)入路由器的IP數(shù)據(jù)報(bào)依據(jù)其目的IP地址,計(jì)算出最佳的(或可行的)下一跳路徑。這個(gè)過(guò)程猶如一個(gè)高效的全球郵政系統(tǒng),為每一封信件規(guī)劃跨國(guó)運(yùn)輸路線。
- 分組轉(zhuǎn)發(fā):當(dāng)路由器根據(jù)路由表確定了下一跳后,便執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)操作。它將輸入的IP數(shù)據(jù)報(bào)從合適的物理接口發(fā)送出去,交給下一個(gè)路由器或最終的目的主機(jī)。轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程需要處理數(shù)據(jù)鏈路層幀的封裝與解封裝,并可能涉及分片與重組(當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)大小超過(guò)下一網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸單元MTU時(shí))。
- 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián):網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)統(tǒng)一的IP協(xié)議,屏蔽了下層各種數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)和物理介質(zhì)的差異(如以太網(wǎng)、Wi-Fi、PPP等),使得這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠無(wú)縫連接,共同構(gòu)成一個(gè)全球統(tǒng)一的虛擬網(wǎng)絡(luò)——互聯(lián)網(wǎng)。這正是互聯(lián)網(wǎng)“包容性”和“可擴(kuò)展性”的根本所在。
- 擁塞控制與服務(wù)質(zhì)量(初步):雖然主要的擁塞控制任務(wù)由傳輸層(如TCP)承擔(dān),但網(wǎng)絡(luò)層也可以通過(guò)諸如源抑制報(bào)文、隊(duì)列管理算法(如RED)以及區(qū)分服務(wù)(DiffServ)等方式,對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行初步的調(diào)控和管理,以緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞并嘗試提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證。
面臨的挑戰(zhàn)與演進(jìn):
隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的爆炸式增長(zhǎng)和新型應(yīng)用(如物聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)多媒體)的涌現(xiàn),傳統(tǒng)的以IPv4為核心的網(wǎng)絡(luò)層也面臨地址枯竭、安全性先天不足、對(duì)移動(dòng)性支持差等挑戰(zhàn)。IPv6的部署旨在從根本上解決地址空間問(wèn)題,并內(nèi)置了更好的安全性和對(duì)移動(dòng)IP的支持。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)思想的興起,將網(wǎng)絡(luò)層的控制平面(路由決策)與數(shù)據(jù)平面(分組轉(zhuǎn)發(fā))分離,通過(guò)集中式的控制器進(jìn)行靈活可編程的路由管理,代表了網(wǎng)絡(luò)層架構(gòu)的重要演進(jìn)方向。
網(wǎng)絡(luò)層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的“交通總指揮部”和“國(guó)際翻譯官”。它通過(guò)IP尋址建立全局標(biāo)識(shí),通過(guò)路由選擇規(guī)劃全球路徑,通過(guò)分組轉(zhuǎn)發(fā)執(zhí)行傳輸任務(wù),最終實(shí)現(xiàn)了任意兩臺(tái)主機(jī)之間跨越千山萬(wàn)水的邏輯連通,構(gòu)筑了互聯(lián)網(wǎng)這座數(shù)字信息世界的宏偉基石。