📖 网络层概述
🎯 课程摘要：本课概述网络层的两大核心功能——分组转发(转发)与路由选择(路由)，并对比网络层向上层提供的两种服务：面向连接的虚电路服务与无连接的数据报服务，阐明因特网采用无连接、尽最大努力交付数据报服务的设计思想。
📝 详细笔记
1. 网络层的主要任务
网络层的主要任务是将分组从源主机经过多个网络和多段链路传输到目的主机，可划分为两种重要功能：
转发(forwarding)
- 路由器收到分组后，在转发表中查找分组的目的地址，按查表结果从相应接口转发分组。
- 转发表的结构应使查找过程最优化。
路由选择(routing)
- 由路由器的路由选择处理机执行路由选择协议，与其他相关路由器交换路由信息得出路由表。
- 路由表需要对网络拓扑变化的计算最优化。
- 网络拓扑简单时也可在命令行静态配置路由表。
- 转发表是从路由表得出的。
本课程讨论路由选择原理时，不严格区分路由表和转发表，以路由表表述问题。
转发与路由的关系示例
2. 网络层提供的两种服务
面向连接的虚电路服务
- 核心思想：可靠通信应由网络自身来保证。
- 通信时必须先建立网络层连接（建立一条虚电路），以保证通信双方所需的网络资源，然后沿虚电路发送分组，通信结束后释放虚电路。
- 虚电路是逻辑上的连接：分组沿此逻辑连接按存储转发方式传送，而非真正建立物理连接（不同于电路交换的物理连接）。
- 分组首部仅在连接建立阶段使用完整目的主机地址；之后每个分组首部只需携带一个虚电路编号。
- 使用可靠传输的网络协议时，可使分组最终正确到达接收方。
- 典型应用：X.25、帧中继、ATM(异步传输模式)等广域分组交换网。
无连接的数据报服务
- 核心思想：可靠通信应由用户主机来保证。
- 通信时不需要建立网络层连接，每个分组可走不同路径，每个分组首部都必须携带目的主机的完整地址。
- 通信结束后没有需要释放的连接。
- 传送的分组可能误码、丢失、重复和失序。
- 将相对简单的"尽最大努力（不可靠）"分组交付功能置于因特网核心，将复杂网络处理功能置于因特网边缘（用户主机及其运输层）。
- 网络自身不提供端到端可靠传输服务 → 路由器可做得较简单，大大降低网络造价；运行方式灵活，能适应多种应用。
3. 两种服务对比
| 对比项 | 虚电路服务 | 数据报服务 |
|---|---|---|
| 连接建立 | 必须建立网络层连接（虚电路） | 不需要建立连接 |
| 可靠通信保证者 | 网络自身保证 | 用户主机保证 |
| 分组首部 | 连接后只需携带虚电路编号 | 必须携带目的主机完整地址 |
| 分组路径 | 沿同一条虚电路传送 | 每个分组可走不同路径 |
| 分组顺序 | 按序到达 | 可能失序 |
| 失败影响 | 虚电路故障影响全部通信 | 各分组独立，影响局部 |
| 网络造价 | 较复杂、较高 | 路由器较简单、造价低 |
| 灵活性 | 较低 | 高，适应多种应用 |
| 典型网络 | X.25、帧中继、ATM | 因特网(Internet) |
4. ⚠️ 重点/考点
- 因特网先驱者采用无连接的数据报服务（而非虚电路服务），将可靠通信交给端系统的运输层(TCP)保证。
- 在 TCP/IP 体系结构中，网际层向其上层提供的是简单灵活、无连接、尽最大努力交付的数据报服务。
- 区分转发(forwarding)与路由选择(routing)：转发依赖转发表（查表最优化），路由依赖路由表（拓扑变化计算最优化），转发表由路由表得出。
- 虚电路是逻辑连接而非物理连接，这是与电路交换的本质区别。
💡 核心总结
- 网络层两大功能：转发（查转发表）+ 路由选择（建路由表），转发表由路由表得出。
- 虚电路服务由网络保证可靠；数据报服务由用户主机保证可靠。
- 因特网选择无连接、尽最大努力交付的数据报服务——简单、廉价、灵活，是其发展壮大的根本原因。
❓ 课后思考 / 经典考题
- 简述网络层"转发"与"路由选择"的区别与联系。转发表与路由表各自的优化目标是什么？
- 对比虚电路服务与数据报服务在连接建立、首部内容、分组路径、可靠保证方等方面的异同。
- 为什么因特网采用无连接的数据报服务？这一设计思想带来了哪些好处？
- 虚电路的"连接"与电路交换的"连接"有何本质区别？