4.1 网络层的功能与 IPv4 分组

网络层的功能（异构网络互联、路由与转发、SDN、拥塞控制），IPv4 分组的首部格式与各字段的含义，IP 数据报的分片与重组。

网络层的功能

异构网络互联

网络层所要完成的任务之一就是使这些异构的网络实现互连。所谓网络互连，是指将两个以上的计算机网络，通过一定的方法，用一种或多种通信处理设备（即中间设备）相互连接起来，以构成更大的网络系统。中间设备又称中间系统或中继系统：物理层使用中继器和集线器，数据链路层使用网桥或交换机，网络层使用路由器，网络层以上使用网关。TCP/IP 体系在网络互连上采用的做法是在网络层采用标准化协议（IP），使得这些性能各异的网络在网络层上看起来好像是一个统一的网络——虚拟互连网络。

路由与转发

路由器主要完成两个功能：

• 路由选择（确定哪一条路径）：按照复杂的分布式算法，根据从各相邻路由器所得到的关于整个网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由，并由此构造出路由表；
• 分组转发（当一个分组到达时所采取的动作）：路由器根据转发表（由路由表得出）将用户的 IP 数据报从合适的端口转发出去。

SDN 的基本概念

传统网络中每台路由器既有数据平面（转发）又有控制平面（路由选择，分布式计算）。软件定义网络（SDN）把两者分离：控制平面从路由器中分离出来，由逻辑上集中的远程控制器计算转发表并下发给各路由器，路由器只负责按”流表”执行”匹配 + 动作”的分组转发。

• 控制器通过南向接口（如 OpenFlow 协议）与路由器交换信息；通过北向接口向网络应用程序提供服务；控制器之间用东西向接口通信；
• 优点：全局集中式控制和分布式高速转发，灵活的可编程性，降低成本；缺点：安全风险（集中控制器是攻击目标）、瓶颈问题。

拥塞控制

在通信子网中，因出现过量的分组而引起网络性能下降的现象称为拥塞。判断网络是否进入拥塞状态的方法是观察网络的吞吐量与网络负载的关系：随着网络负载的增加，网络的吞吐量明显小于正常的吞吐量时，网络就可能已进入轻度拥塞状态；当网络的吞吐量随着网络负载的增大反而下降时，网络就可能已进入拥塞状态；当网络的负载继续增大，而网络的吞吐量下降到零时，网络就可能已进入死锁状态。拥塞控制分为开环控制（事先考虑，静态预防）和闭环控制（基于反馈环路，动态处理）。

IPv4 分组

一个 IP 分组由首部和数据部分组成。首部前一部分的长度固定，共 20 B，是所有 IP 分组必须具有的；在首部固定部分的后面是一些可选字段，其长度可变，用来提供错误检测及安全等机制。

IP 数据报的分片

一个链路层数据报能承载的最大数据量称为最大传送单元（MTU）。因为 IP 数据报被封装在链路层的帧中，因此链路层的 MTU 严格地限制着 IP 数据报的长度，而且在 IP 数据报的源与目的地路径上的各段链路可能使用不同的链路层协议，有不同的 MTU。当 IP 数据报的总长度大于链路 MTU 时，就需要将 IP 数据报中的数据分装在两个或多个较小的 IP 数据报中，这些较小的数据报称为片。

片在目的地的网络层被重新组装（中间路由器不负责重组）。目的主机使用 IP 首部中的标识、标志和片偏移字段来完成对片的重组。

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