网络层概述
- 因特网网络层的三个主要组件
- 网络层的主要功能
- 网络层的类型
- 虚电路网络
- 数据报网络
- 路由器的硬件体系结构
因特网网络层的三个主要组件
- IP（网际）协议
- 因特网路由选择协议
- ICMP（因特网控制报文协议）
网络层的主要功能
前面我们了解了运输层协议只在端系统中工作，在发送主机中，运输层协议将来自应用程序的报文移动到网络层；在目的主机中，运输层协议将来自网络层的报文段交付给在主机上运行的适当应用程序进程。而网络层的主要职责就是将报文段从一台主机发送到另一台主机。 为此，网络层需要具备以下两个重要功能
转发 ：当一个分组到达路由器的一条输入链路时，路由器必须将该分组移动到适当的输出链路。关注的重点是分组在单一的路由器中从一条入链路到一条出链路的传送
路由选择 ：当分组从发送方流向接收方时，网络层必须决定分组从源到目的地所采取的端到端路径。关注的重点是发送方到接收方的整个路径
转发是的实现需要借助路由器内部的转发表，而转发表是由路由选择算法配置的
网络层的类型
我们知道在运输层协议中，UDP是无连接的，而TCP是面向连接的。在网络层也存在类似的区分，网络层提供连接服务的网络称为虚电路网络 （ATM网络体系结构是虚电路网络，不做讨论），网络层不提供连接服务的网络称为数据报网络。因特网是数据报网络，即因特网的网络层是不提供连接服务的。
虚电路网络
- 虚电路网络的组成
①源和目的主机之间的路径
②VC 号，沿着该路径的每段链路的一个号码
③沿着该路径的每台路由器中的转发表表项- 属于一条虚电路的分组将在首部携带一个VC号。由于一条虚电路在每条链路上可能具有不同的 VC 号，每台中间路由器必须用一个新的 VC 号替代每个传输分组的 VC号，该新的 vc 号从转发表获得。
eg：假定主机A请求网络在它和主机B之间建立一条虚电路，同时假设网络为虚电路选择路径A-R1-R2-B
- 虚电路网络的不同阶段
①建立阶段
发送运输层与网络层联系，指定接收方地址，等待网络建立虚电路。网络层决定发送方与接收方之间的路径，即该虚电路的所有分组要通过的一系列链路与路由器。网络层也为沿着该路径的每条链路决定一个 vc号。最后，网络层在沿着路径的每台路由器的转发表中增加一个表项。
②数据传送
虚电路一旦建立，分组就可以沿该虚电路流动了
③虚电路拆除
当发送方(或接收方)通知网络层它希望终止该虚电路时，就启动
这个阶段。然后网络层通常将通知网络另一侧的端系统结束呼叫，井更新路径上每台分组路由器中的转发表(删除一个表项)以表明该虚电路已不存在了- 虚电路建立与TCP连接建立的区别：TCP连接的建立只涉及两个端系统。而对于一个虚电路网络层，沿两个端系统之间路径上的路由器都要参与虚电路的建立，且每台路由器都完全知道经过它的所有虚电路（在虚电路网络中，该网络的路由器必须为进行中的连接维持连接状态信息）
- 信令报文：端系统向网络发送指示虚电路启动与终止的报文，以及路由器之间传递的用于建立虚电路(即修改路由器表中的连接状态)的报文
- 信令协议：用来交换信令报文的协议
数据报网络
在数据报网络中，每当一个端系统要发送分组，它就为该分组加上目的端系统的地址，然后将分组推进网络中，网络层无需建立任何连接
- 每台路由器有一个将目的地址映射到链路接口的转发表;当分组到达路由器时，路由器使用该分组的目的地址在转发表中查找适当的输出链路接口，然后路由器有意将分组向该输出链路接口转发（我们需要明确的一点是数据报网络中的转发表是由路由选择算法来维护的）
eg:
上述转发表表项太多，检索耗时长，我们可以使用前缀匹配法将上述转发表精简为4个表项
地址11001000 00010111 00011000 10101010 的前 24 比特与表中的第二项匹配，而该地址的前21 比特与表中的第三项匹配，当有多个匹配时，该路由器使用最长前缀匹配规则：即在该表中寻找最长的匹配项，并向与最长前缀匹配相关联的链路接口转发分组
路由器的硬件体系结构
上图对路由器硬件体系结构除了交换结构的部分做了较为详细的解释，下面，我们对交换结构做一个较为详细的解释
- 交换结构 ：位于一台路由器的核心部位，将路由器的输入端口与输出端口相连接
- 三种交换方式
①经内存交换
②经总线交换
③经互联网络交换（纵横式交换机）
- 路由器中的分组排队
首先在输入端口和输出端口都会形成分组队列。排队的位置和程度将取决于流量负载、交换结构的相对速率和线路速率。随着这些队列的增长，路由器的缓存空间将最终会耗尽，并且当无内存可用于存储到达的分组时将会出现丢包
- 假定需要路由器缓存来吸收流量负载的波动，自然会想到需要多大的缓存空间？
①对于相对少量的TCP流
B=RTT*C，其中B（缓存数量）、RTT（平均往返时延）、C（链路的容量）
②对于大量的TCP流
B=RTT*C/√N，其中N（TCP流的大小）
可以看出TCP流量越大，使得所需的缓存长度的减小相当明显
- 如果没有足够的内存来缓存一个入分组
①必须做出决定:要么丢弃到达的分组(弃尾) ，要么删除一个或多个己排队的分组来为新到的分组腾出空间
②在某些情况下，在缓存填满前便丢弃(或在首部加标记)一个分组，以便向发送方提供一个拥塞信号
主动队列管理策略（AQM算法） ：分组丢弃与标记策略
随机早期检测算法（RED） ：RED算法是一种具体的AQM算法。在RED算法中，为输出队列长度维护着一个加权平均值。如果平均队列长度小于最小阈值min,则当一个分组到达时,该分组被接纳进队列。相反，如果队列满或平均队列长度大于最大阈值max，则当一个分组到达时，该分组被标记或丢弃。最后，如果一个分组到达，发现平均队列长度在 [min,max]之间时,则该分组以某种概率被标记或丢弃，该概率一般是平均队列长度、min、max的某种函数
