计算机网络——网络层探究
好久没写博客了。感觉最近有点懒了。重新拾起《计算机网络——自顶向下方法》看看，这一篇聊聊网络层。
简述
网络层的作用即是将分组从一台主机移动到另一台主机。转发 和 路由选择 共同完成这项工作。除此之外，网络层还有 连接建立(connection setup) 的功能。
转发（forwarding）
转发指的是分组在单一的路由器从一条入链路到出链路的传送。
路由选择（routing）
路由选择涉及一个网络中的所有路由器，它们经由选择协议共同交互，决定分组从源到目的地所采用的路径。计算这些路径采用了 路由选择算法（routing algorithm）。
分组交换机
分组交换机（packet switch）是一个通用概念，指的是能根据分组首部字段的值，从 输入链路接口 转移分组 到 输出链路接口 的交换设备。
分组交换机包括两种：
- 在数据链路层，基于链路层字段中的值做转发决定的称为 链路层交换机(link-layer switches)
- 在网络层，基于网络层字段中的值做转发决定的称为 路由器(router)
虚电路和数据报网络
类似于运输层能够提供面向连接的服务（TCP）或者无连接的服务（UDP），网络层也能提供 带连接的服务 或 无连接服务。
网络层中的连接服务称为 **虚电路(Virtual-Circuit, VC)**，无连接服务称为 **数据报(datagram)**。
值得注意的是，网络层并不同时提供这两种服务，在一个计算机网络中，仅提供其一。我们所熟悉的 Internet，属于数据报网络，但在一些其他的网络体系结构（ATM、帧中继等）属于虚电路网络。
此外，跟运输层在端系统与端系统间实现TCP连接不同，网络层的连接服务除了在端系统之间，也存在于网络核心的路由器。
虚电路网络
一条虚电路的组成如下：
- 源和目的主机之间的路径（一系列链路和路由器）
- 沿着该路径的每段链路的号码（称为VC号）
- 沿着该路径的每台路由器中的转发表表项
虚电路的三个阶段：
- 虚电路建立：发送运输层指定接收方地址，网络层决定发送方与接受方的路径，并为每条链路决定一个VC号，最后为该路径的每台路由器增加一个表项。
- 数据传送
- 虚电路拆除
数据报网络
当一个端系统要发送分组时，就会为该分组加上目的地址，然后将分组推进网络，这样每一个分组就称为数据报。
网络中的每一台路由器，都根据转发表，为目的地址查找适当的输出链路，然后对这个分组进行转发。
路由器会将目的地址的前缀与转发表表项进行匹配，当有多个匹配项时，采用 最长前缀匹配规则 来最终选择。
ip协议
ip协议是网络层最著名的协议，它定义了数据报的格式和编址规则。在网络的世界中，每一台设备都拥有一个ip地址，ip协议就是将一个ip地址的数据发送到另外一个ip地址所代表的设备。
ip协议有两个大版本，分别是 ipv4 和 ipv6 。因为历史原因，ipv4目前仍是主流。
ipv4编址规则
ipv4包含32位，一般采用 点分十进制记法 。例如 193.32.216.9，实际上就是 11000001 00100000 11011000 00001001, 每一个点代表8位二进制数的十进制写法。
| 193 | 32 | 216 | 9 |
|---|---|---|---|
| 11000001 | 00100000 | 11011000 | 00001001 |
子网掩码
有时候我们可以看到，由一个路由器和几台主机构成的网络中有相同的前缀，例如 223.1.1.1、223.1.1.2、223.1.1.3，它们都有相同的前24位比特 223.1.1.x ，我们称这是一个子网。为了方便记下这个子网所代表的网络，通常写作 223.1.1.0/24，称为子网掩码。 /24 的意思是，这个子网有相同的前24位，只有最后8位是不同的，因此也很容易看出，这个子网最多能有 256 个ip地址（00000000-11111111），但是在网络中全0和全1通常作为保留地址不用，所以实际可用的只有 254 个。
常见的子网对应的ip地址数量如下：
| 掩码 | 可用位数 | 可用ip地址数量 |
|---|---|---|
| /22 | 6 | 1024-2 |
| /23 | 7 | 512-2 |
| /24 | 8 | 256-2 |
| /25 | 7 | 128-2 |
| /26 | 6 | 64-2 |
| /27 | 5 | 32-2 |
| /28 | 4 | 16-2 |
扩展知识
C类IP地址的默认子网掩码为24位，即 255.255.255.0，这时候每个子网有256个IP地址，254个可用。
有时候我们会看到 /22 的掩码，什么意思呢？ /22 即 255.255.252.0，网络位缩短了2位，2位二进制可以容纳 4 个数字，相当于4个C类子网汇聚成了一个较大的子网。
255.255.255.0转换为二进制为11111111 11111111 11111111 00000000255.255.252.0转换为二进制为11111111 11111111 11111100 00000000