计算机网络 - 网络层

介绍：每个主机和路由器都运行网络层协议；路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域，以便决策如何处理IP数据报

1. 网络层服务

1.1 网络层核心功能

• 转发与路由
  转发 forwarding：将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口。
  路由 routing：确定分组从源到目的经过的路径。计算这些路径的算法是 路由算法 routing algorithms，如何转发分组由 转发表 确定。
• 连接建立
  数据分组传输之前两端主机需要先建立虚拟／逻辑连接。

网络层连接与传输层连接的对比：

1. 网络层连接：两个主机之间，路径上的路由器等网络设备参与其中
2. 传输层连接：两个应用进程之间，对中间网络设备透明

1.2 网络服务模型

定义了分组在发送与接收端系统之间的端到端运输特性

• 无连接服务
  不事先为系列分组的传输确定传输路径
  每个分组独立确定传输路径
  不同分组可能传输路径不同
  数据报网络 datagram network
• 连接服务
  首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径(建立连接)
  然后沿该路径(连接)传输系列分组
  系列分组传输路径相同
  传输结束后拆除连接
  虚电路网络 virtual-circuit network

2. 虚电路网络与数据报网络

2.1 虚电路网络 Virtual Circuits

一条从源主机到目的主机，类似于电路的路径(逻辑连接)。
分组交换；每个分组的传输利用链路的全部带宽；源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能。

例子：帧中继、ATM的体系结构

通信过程：
呼叫建立 --> 数据传输 --> 拆除呼叫

*每个分组携带虚电路标识VCID，而不是目的地址
*虚电路经过的每个网络设备(如路由器)，维护每条经过它的虚电路连接状态
*链路、网络设备资源(如带宽、缓存等)可以面向VC进行预分配。预分配资源=可预期服务性能；如ATM的电路仿真(CBR)

每条虚电路包括：
1.从源主机到目的主机到一条路径
2.虚电路号(VCID)，沿路每段链路一个编号
3.沿路每个网络层设备(如路由器)，利用转发表记录经过的每条虚电路
(同一条VC，在每段链路上的VCID通常不同)

虚电路信令协议(signaling protocols):
用于VC的建立、维护与拆除，路径选择
应用于虚电路网络，如ATM、帧中继(frame-relay)等
目前等internet不采用

2.2 数据报网络

*网络层无连接
*每个分组携带目的地址
*路由器根据分组的目的地址转发分组：基于路由器协议/算法构建转发表；检索转发表；每个分组独立选路

最长前缀匹配优先：在检索转发表时，优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口

数据报网络 vs VC网络

• 数据报网络 Internet：
  1.计算机之间的数据交换：“弹性”服务，没有严格时间需求
  2.链路类型众多：特点、性能各异；统一服务困难
  3.“智能”端系统(计算机)：可以自适应、性能控制、差错恢复
  4.简化网络，复杂“边缘”

• ATM(VC网络)：
  1.电话网络演化而来
  2.核心业务是实时对话：严格的时间、可靠性需求；需要有保障的服务
  3.“哑(dumb)“端系统(非智能)：电话机、传真机
  4.简化“边缘”，复杂网络