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跟着彤哥学网络-初识网络层

1. 网络层提供的两种服务

  • 在计算机网络领域,网络层应该向运输层提供怎样的服务(“面向连接”还是“无连接”)曾引起了长期的争论。
  • 争论焦点的实质就是:在计算机通信中,可靠交付应当由谁来负责?是网络还是端系统?

1.1 两种不同的观点

一种观点:让网络负责可靠交付。

这种观点认为,应借助于电信网的成功经验,让网络负责可靠交付,计算机网络应模仿电信网络,使用电信昂贵的程控交换机面向连接的通信方式。
通信之前先建立虚电路 (Virtual Circuit),以保证双方通信所需的一切网络资源。然后双方沿着VC电路发送分组。发送分组不需要填写完整的目的的主机地址而只需要填写VC虚电路的编号,因而减少分组开销。
如果再使用可靠传输的网络协议,就可使所发送的分组无差错按序到达终点,不丢失、不重复。

虚电路服务

虚电路:表示这只是一条逻辑上的连接,分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送,而并不是真正建立了一条物理连接。请注意,电路交换的电话通信是建立了一条真正的连接。因此分组交换的虚电路和电路交换的连接只是类似,但并不完全一样。

一种观点:互联网先驱提出网络提出崭新的思路-网络提供数据报服务

他们认为电信网提供的端到端可靠传输的服务对电话业务无疑是很合适的。因为电话网的终端(电话机)非常简单,没有智能,也没有差错处理能力。因此电信网必须负责把用户电话机产生的信号可靠地传送到对方的电话机,使得还原的语音质量符合技术规范的要求。

计算机网络的端系统是有智能的计算机。计算机有很强的差错处理能力。因而互联网采用的设计思路是:网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。其中数据报(或IP数据报)就是我们常说的数据报文、数据包、分组。

网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组(即 IP 数据报)独立发送,与其前后的分组无关(不进行编号)。

网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序(不按序到达终点),当然也不保证分组传送的时限。

由于传输网络不提供端到端的可靠传输服务,这就使网络中的路由器可以做得比较简单,而且价格低廉(与电信网的交换机相比较)。

如果主机(即端系统)中的进程之间的通信需要是可靠的,那么就由网络的主机中的运输层负责可靠交付(包括差错处理、流量控制等) 。

采用这种设计思路的好处是:网络的造价大大降低,运行方式灵活,能够适应多种应用

互连网能够发展到今日的规模,充分证明了当初采用这种设计思路的正确性。

数据报服务

OSI体系的支持者层极力主张在网络层使用可靠传输的虚电路服务,也曾推出过虚电路服务著名标准-ITU-T的X.25建议书。但现在X.25早已成为历史了。

1.2 虚电路服务与数据报服务的对比

虚电路服务与数据报服务的对比

2. 网际协议IP

网际协议IP是TCP/IP体系中两个最重要的协议之一。也是最重要的互联网标准协议之一。关于IP又分为IPV4版本和IPV6版本(版本1-3和版本5研究不成功所以不使用),这里指的是IPV4版本,有关IPV6的知识后面会学习。

与 IP 协议配套使用的还有四个协议,其中三个现在仍然在用,一个已经被现代网络淘汰掉了。

  • 地址解析协议ARP (Address Resolution Protocol)
  • 网际控制报文协议ICMP (Internet Control Message Protocol)
  • 网际组管理协议IGMP (Internet Group Management Protocol)
  • 逆地址解析协议RARP(Reverse Address Resolution Protocol),和ARP协议配合使用,但是现在已经淘汰。

网际协议

上图中,ARP在最下面,因为IP经常要使用这个协议。ICMP和IGMP在上部,因为他们使用IP协议。

由于网际协议IP是用来使互联起来的许多计算机网络能够进行通信的,因此TCP/IP体系中的网络层常常被称为网际层(internet layer)或IP层。

3. 虚拟互联网

将网络互连并能够互相通信,会遇到许多问题需要解决,如:

  • 不同的寻址方案
  • 不同的最大分组长度
  • 不同的网络接入机制
  • 不同的超时控制
  • 不同的差错恢复方法
  • 不同的状态报告方法
  • 不同的路由选择技术
  • 不同的用户接入控制
  • 不同的服务(面向连接服务和无连接服务)
  • 不同的管理与控制方式等

那么问题来了,如何将异构的网络互相连接起来?答案是可以的,需要借助一些中间设备进行互连。中间设备又称为中间系统或中继 (relay)系统。常见有以下五种不同的中间设备:

  • 物理层中继系统:转发器 (repeater),信号放大
  • 数据链路层中继系统:网桥或桥接器 (bridge),交换机工作的层
  • 网络层中继系统:路由器 (router),网络数据包的转发
  • 网桥和路由器的混合物:桥路器 (brouter),产品少、普及少
  • 网络层以上的中继系统:网关 (gateway)

当中继系统是转发器或网桥时,一般并不称之为网络互连,因为这仅仅是把一个网络扩大了,而这仍然是一个网络。

网关由于比较复杂,目前使用得较少。

网络互连都是指用路由器进行网络互连和路由选择。

由于历史的原因,许多有关 TCP/IP 的文献将网络层使用的路由器称为网关。

所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络,它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的,但是我们利用 IP 协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。

使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。

使用虚拟互连网络的好处是:当互联网上的主机进行通信时,就好像在一个网络上通信一样,而看不见互连的各具体的网络异构细节。

如果在这种覆盖全球的 IP 网的上层使用 TCP 协议,那么就是现在的互联网 (Internet)。

虚拟互联网

分组在互联网中的传送

上图中源主机H1要把一个IP数据报发送给目的主机H2.主机H1先找到自己的路由表,看目的主机是否就在本网络上,如是,则不需要经过任何路由器而是直接交付(实际上是在交换机内部进行分组交换(存储转发))。任务就完成了。若不是,则必须将IP数据报发送给某个路由器(R1),R1在查找了自己的路由表后,知道应当把数据报转发给R2进行交付。这样一直转发下去,最后R5知道自己和H2连接在同一个网络上,不需要在用别的路由器转发了,于是把数据报直接交付给目的主机H2。

我们还可以注意到R4和R5使用了卫星链路,而R5所连接的是个无线局域网。在R1-R4之间的三个网络则可以是任意类型的网络。

总之,互联网可以由多种异构网络互连组成

从网络层看 IP 数据报的传送

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