网络层服务概述

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前言

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提示：以下是本篇文章正文内容

一、网络层概述

功能：从发送主机向接收主机传送数据段（segment），即把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务，网络层传输单位是数据报

发送主机：将数据段封装到数据报（datagram）中
接收主机：向传输层交付数据段（segment）

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

二、网络层核心功能

1.转发与路由

路由器主要完成两个功能: 一是路由选择 (确定哪一条路径)，二是分组转发 (当一个分组到达时所采取的动作)

转发(forwarding): 按照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): 按照路由算法(routingalgorithms）确定分组从源到目的经过的路径

路由表是根据路由选择算法得出的，而转发表是从路由表得出的。路由表则需要对网络拓扑变化的计算最优化, 转发表的结构应当使查找过程最优化

2.连接建立

某些网络的重要功能: ATM, 帧中继, X.25，并不是所有的网络都需要连接建立，比如Internet

数据分组传输之前两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接，网络设备（如路由器）参与连接的建立

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）

三、网络层服务模型

网络层为发送端（主机）到接收端（主机） 的数据报传送“通道(channel)” 提供无连接服务和连接服务

无连接服务(connection-less service):

1.不事先为系列分组的传输确定传输路径
2.每个分组独立确定传输路径
3.不同分组可能传输路径不同
典型：数据报网络(datagram network )

连接服务(connection service):

1.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)
2.然后沿该路径（连接）传输系列分组
3.系列分组传输路径相同
4.传输结束后拆除连接
典型：虚电路网络(virtual-circuit network )

1.虚电路(Virtual circuits)

虚电路：一条从源主机到目的主机， 类似于电路的路径(逻辑连接)

特点：采用分组交换，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

通信过程：呼叫建立(call setup)→数据传输→拆除呼叫

每个分组携带虚电路标识(VCID)， 而不是目的主机地址，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)可以面向虚电路VC进行预分配

每条虚电路包括:
1.从源主机到目的主机的一条路径
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

路由器的VC转发表:

VC路径上每个路由器都需要维护VC连接的状态信息

在虚电路方式中，端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虛电路，以区别于本系统中的其他虚电路

在传送数据时，每个数据分组不仅要有分组号、校验和等控制信息，还要有它要通过的虚电路号，以区别于其他虚电路上的分组

在虚电路网络中的每个结点上都维持–张虚电路表，表中的每项记录了一个打开的虚电路的信息，包括在接收链路和发送链路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识。数据的传输是双向进行的，上述信息是在虚电路的建立过程中确定的

虚电路之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的，每个结点到其他结点之间的链路可能同时有若干虚电路通过，也可能同时与多个结点之间建立虚电路

每条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输，两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务，这些虚电路的实际路由可能相同也可能不同

注：
(1)沿某条虚电路传输的分组，携带对应虚电路的VCID，而不是目的地址

(2)同一条VC ，在每段链路上的VCID通常不同，路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号

虚电路信令协议(signaling protocols)
作用：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)网络

虚电路传输过程：

2.数据报网络

特点：
(1)网络层无连接

(2)每个分组携带目的地址，虚电路这里是携带VCID

(3)路由器根据分组的目的地址转发分组
基于路由协议/算法构建转发表，检索转发表，每个分组独立选路

作为通信子网用户的端系统发送一个报文时，在端系统中实现的高层协议先把报文拆成若干带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组(即网络层PDU)。

中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳的路由后，尽快转发每个分组。不同的分组可以走不同的路径，也可以按·不同的顺序到达目的结点

数据报转发表

由原来的唯一确定地址改为地址范围，减少存储空间

数据报转发表遵循最长前缀匹配优先
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（entry）

数据报网络 VS VC网络

1.Internet (数据报网络)
(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

简化网络，复杂“边缘”

2.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

简化“边缘” ，复杂网络

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总结

提示：这里对文章进行总结：

数据报(datagram)网络与虚电路(virtual-circuit)网络是典型两类分组交换网络

数据报网络提供网络层无连接服务，虚电路网络提供网络层连接服务

类似于传输层的无连接服务（UDP）和面向连接服务（TCP），但是网络层服务：主机到主机服务 和 网络核心实现