网络层算是计网里很重要的一层，里面有我们听了很多遍但是不知道是啥的 IP 协议，而这个 IP 协议就是网络高层和低层的沟通桥梁。

干什么的

在学一样东西之前，我们先要搞清楚这个东西是用来干嘛的。网络层主要是提供以下服务

1. 传输 segment （上一层对数据的叫法）
2. 发送方将上一层的数据（segment）封装成 datagram，可以简单理解为在上一层的数据前再添加一个头部。segment 和 datagram 内容上没有区别（多了个Header），是对 packet 在不同层的不同叫法。网络层一般叫数据，Packet 为 datagram
3. 对应的接收方往上层传 datagram 的时候就要去掉头部，转成 segement 再给上层
4. 检测 datagram 里的头部信息是否匹配

网络层里的分层

在这一层里再会再分为 2 层。

Control Plane

• 网络方面的逻辑交互
• 决定 datagram 在路由器之间的传递，并最终将这个 datagram 发到目的地

Control Plane 又分成两种

1. 传统的路由算法，这个算法是在路由里实现的
2. Software-defined networking(SDN), 在服务器里实现的

Data Plane

• 主要是用于路由器里的 Forwarding
• 决定 datagram 怎么在路由器里从 Input 传递到对应的 Output

路由器的结构

其实路由器和我们的计算机差不多，但是只有物理层，链路层和网络层。下面是路由器的机器结构，包含 Routing Processor(差不多是电脑的 CPU) 还有一个 High-sppend Switching fabric。后那个是啥后面会说。

现在我们再放大去看那 4 个指向 High-speed Switching fabric 的结构。

上面对应的就是 物理层 -> 链路层 -> 网络层。可以看到网络层最后就是指向 Switch Fabric，感觉好像很 NB 的样子。现在就来说说这个东西。

Switch Fabric

路由器其实是数据传递的中转站，负责将传入的数据再传到下一个路由器，这个东西主要用用法就是在路由器里面，将传入的数据传出到对应的 Output 接口，

数据输入 -> Input -> 路由器里处理一下 -> 将数据导航到对应的 Output -> Output -> 数据输出

Switch Fabric 就像一个 GPS 一样将数据正确地输出，所以叫 Switching 嘛，这个机制有 3 种实现方法：

1. Switching via Memory
   1. 以前的 Router 就是用这种方式去控制 Switching
   2. 不好的是这其实就两条线：进入 Memory 和出去 Memory。所以速度就取决于 Memory 的带宽了
2. Switching via Bus
   1. 这个就是中间有一条总线，像是大学宿舍里面的大走廊，数据从某个房间出来，又进入对面的某个房音
   2. 这种方法速度就受控于大走廊（Bus 总线）的带宽
3. Switching via Crossbar
   1. 这种方法是上面的加强版，一条大走廊不够是吧，那我再多加几条呗
   2. 因为又加多了总线所以，现在可以实行并行了

层次结构

说完网络层在路由器的位置，我们再来回顾一个整个网络传输是怎么样的。

网络层在整个计算机网络的地位是这样的：

从上面两张图可以看到，IP 协议（网络层中的协议）贯穿了整个计算机网络，没了它我们就连数据都传不了了。

IP 协议

现在我们先看看网络层里最为重要的组成部分——IP协议。下面是IP协议的特性：

1. unreliable: 不会恢复丢失的数据，所以不太可靠，丢了就丢了，不管了
2. connectionless: 每个包都是独立的，IP不会知道包的收发顺序
3. best effort: 不会有质量保证，（不会做吞吐量的保证，没有延迟保证）

由于上面这 3 个特性，IP 太懒了，所以别人就要做更多的事喽。

1. 更高层如应用层，传输层协议需要解决丢包问题和重复发送包的问题
2. 可能会不接顺序发送包

IP 协议和其他协议

ICMP 协议和 Routing 协议等会会讲。

IP 数据格式

其实数据格式和Http请求格式都差不多，可能字段不一样，不要记住的是一定是 32 Bits 的。

MTU

还记得数据传输的方式么？先从上到下在本机传完，再将数据发到目的地，目的地再从下到上传回应用层。网络层也是要将数据往下传的，往下就是链路层，链路层有一个东西叫 Maximum Transmission Unit。不管网络有多少数据，但是每次传给链路层不能超过这个 MTU。

虽然 IP 的大小可以达到 65535 个 Bytes，但是在链路层会对包的大小有限制，如

• Ethernet: 1500, FDDI: 4352
• 802.3: 1492 , PPP: 296

那么办，网络层有一大堆，你口又那么小。所以工程师想到一个方法——分块传。

IP Fragmentation

不同的链路层实现，就会有不同的 MTU，所以要 fragmentation。分块传递数据遵守下面规则：

1. 每个 datagram 会分成小的 datagram 来去匹配 MTU
2. 在到终点的时候才会再次组合起来
3. IP Header 是用来区分哪个先哪个后
4. 发送方或者中间的路由器都可以完成 fragmentation
5. 相同的 datagram 可以在传递的过程中被 fragment 几次，但是组合是只会在终点才完成

我们再深入看看 IP Header 都记录了 fragmentation 的什么信息：

• Identification: 相同的 datagram，这里的值就会是一样
• Flags:
  • DF: 不能再分了，如果 MTU 实在太小，这个包就丢了算了
  • MF: 可以再分
• Fragment offset: 13 Bits, 当前 fragment 在原来 datagram 里的位移, 当前 fragment / 8
• Total length: fragment 的总长度

分块传数据的例子：

Ipv4 Addressing

Ipv4 就是 IP 地址的一种表示，分成两个部分：Network Prefix 和 Host Number。

再举个例子

分配地址例子

Ipv4 分配的应用

假设 125.36.0.0，要给他分配5个子网，同时Host数目大于 250，要怎么做呢？

1. 首先 125.36 是不能动的，因为是 prefix，所以只能动后面 8 + 8 位了
2. 先看后面 8 位吧，我们要的是大于 250 个主机，所以 2 的 8次方是 256>250，全后8位都将用于主机的分配
3. 再看前面的 8 位，要分配的 5 个子网，那 2 的3 次方为8 > 5所以前面只要 3 位就可以了，剩下的5位都可以用于主机的分配

Ipv4 Forwarding

关于 Ipv4 Forwarding 其实说到底就是上面说到的 2 个 Plane：

• Network 里: 数据从一个路由器转到另一个路由器
• Router 里: 数据从路由器的 Input 转到 Output

路由器与 IP

当路由器接收到 IP Packet 的时候会做如下事情：

1. IP 头部检验
2. 处理头部里的 options
3. 解析 IP 地址里的目的地
4. 检查 Routing table
5. 降低 TTL
6. fragmentation
7. 计算 checksum
8. 传递到下一个节点
9. 发送 ICMP 包

路由表

可能到这时候你会问，一个路由器和那么多个路由器连接，单靠 IP 头部信息也不能推测出应该要传给哪个路由器作为下一个中转站呀。哎，这里就需要路由表，每个路由器会维护一张路由表。

里面会记录每个 IP 地址对应要传的下个节点。比如我们的目的地是 10.0.32.0/19（第二个），那么下个中转站就是 R2。

你可能发现这里有 Direct, R2, R3，这些对于有 4 种 Route Types。

1. Network Route，最常用的
2. Host Route
3. Default Route，没有 Network 或者 Host Route 匹配的时候会用这个
4. Loopback address，127.0.0.1

Longest Prefix Match

你可以发现好像先匹配最长的前缀的先呀，32 -> 19 -> 19 -> ...-> 8，还记得前缀表示是子网的前缀么？前缀越长说明在越靠近的子网里。所以这里的匹配是先去找附近的机器，如果找到就不到外面网络里找了。如果最后还找不到要么就回到自己 (127.0.0.0)。

ARP 代理

在链路层的时候我曾说过，每个机器都会有自己的 MAC 地址。当某个机器 A 要发数据给 B ，首先会广播一个 ARP 请求，B 接收后会告诉 A 自己的 MAC，最后才是发送数据。如果有下面的情况：

A -> Router -> B

广播完再等待 B 的 ARP reply 感觉好久呀。所以工程师想到了代理。上面使用 ARP 代理会是这样：

1. A 先发 ARP 请求去问 B 的MAC 地址
2. Router 先 reply Router 自己的 MAC 地址
3. A 以为自己已经知道了B 的地址，所以开始传数据 datagram
4. Router 接收到 datagram 后，再发 B 的 ARP 请求，等 B replay 后将 datagram 再传给 B

现在 Router 就好像中转站一样，先将数据从 A 那拿过来，再给问完了 B，再直接给 B。

前提

ARP 代理看起来挺好的，允许两个不同子网的主机共享一个网络前缀。但是要做如下配置才可以：

1. 要伪装成是目的地的，这里的 Router 就伪装自己成 B，让 A 以为 Router 就是 B
2. 这两个机器是不知道他们其实不同的子网里，要使用 Mask 使得他们以为他们在同一个子网里

ICMP

ICMP (Internet Control Message Protocol)主要内容是：Type, Code, Checksum, IP Header. 通常用于返回的错误信息或是分析路由。一个例子：

如果路由器检测到 datagram 被发到另一个不同的 Router，那么

1. 将 IP datagram 发送到正确的 Router
2. 发一个 ICMP 信息给主机

主机就会用这个 ICMP 信息来更新自己的 Forwarding Cache.