目录
1、网络层核心功能 2、网络层服务模型（service model）
1、IP数据报 2、IP分片 3、IP编址（addressing） 4、有类IP地址 5、IP子网划分与子网掩码
一、网络层服务
从发送主机向接收主机传送数据段（segment），发送主机将数据段封装到数据报（datagram）中，接收主机向传输层交付数据段（segment）。每个主机和路由器都运行网络层协议，路由器检验所有穿越它的IP数据报的头部域，决策如何处理IP数据报。
1、网络层核心功能
转发（forwarding），将分组从路由器的输入端口转移到合适的输出端口；路由（routing），通过路由算法（routing algorithms）确定分组从源到目的经过的路径。
连接建立，不是所有网络都需要，某些网络的重要功能，如ATM、帧中继、X.25。数据分组传输之前，两端主机需要首先建立虚拟/逻辑连接，网络设备（如路由器）参与连接的建立。而传输层的连接在两个应用进程之间，对中间网络设备透明。
2、网络层服务模型（service model）
无连接服务（connection-less service）：不事先为系列分组的传输确定传输路径，每个分组独立确定传输路径，不同分组可能传输路径不同。数据报网络（datagram network）。
连接服务（connection service）：首先为系列分组的传输确定从源到目的经过的路径（建立连接），然后沿该路径（连接）传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接。虚电路网络（virtual-circuit network）。
数据报网络与虚电路网络是典型两类分组交换网络，数据报网络提供网络层无连接服务，虚电路网络提供网络层连接服务。类似于传输层的无连接服务（UDP）和面向连接服务（TCP），但是网络层服务提供主机到主机服务，网络核心实现，而不仅是端到端。
二、虚电路网络与数据报网络
1、虚电路网络
虚电路（Virtual circuits）是一条从源主机到目的主机，类似于电路的路径（逻辑连接）。是分组交换，每个分组的传输利用链路的全部带宽。源到目的路径经过的网络层设备共同完成虚电路功能。
通信过程：呼叫建立（call setup）→数据传输→拆除呼叫。虚电路经过的每个网络设备（如路由器），维护每条经过它的虚电路连接状态。链路、网络设备资源（如带宽、缓存等）可以面向VC进行预分配，预分配资源=可预期服务性能，如ATM的电路仿真（CBR）。
每条虚电路包括：从源主机到目的主机的一条路径；虚电路号（VCID），沿路每段链路一个编号；沿路每个网络层设备（如路由器），利用转发表记录经过的每条虚电路。沿某条虚电路传输的分组，携带对应虚电路的VCID，而不是目的地址。同一条VC，在每段链路上的VCID通常不同，路由器转发分组时依据转发表改写/替换虚电路号。
VC路径上每个路由器都需要维护VC连接的状态信息，VC的建立和拆除对应VC转发表的维护。
路由器R1的VC转发表
| 输入接口 |
输入VC # |
输出接口 |
输出VC # |
| 1 |
12 |
3 |
22 |
| 2 |
63 |
1 |
18 |
| 3 |
7 |
2 |
17 |
| 1 |
97 |
3 |
87 |
| … |
… |
… |
… |
虚电路信令协议（signaling protocols），用于VC的建立（路径选择、一次）、维护与拆除，应用于虚电路网络，如ATM、帧中继（frame-relay）网络等，目前的Internet不采用。
2、数据报网络
网络层无连接，每个分组携带目的地址，路由器根据分组的目的地址转发分组。基于路由协议/算法构建转发表，检索转发表，每个分组独立选路。
最长前缀匹配优先：在检索转发表时，优先选择与分组目的地址匹配前缀最长的入口（entry）。
DA: 11001000 00010111 00010110 10100001从哪个接口转发？A:0
DA: 11001000 00010111 00011000 10101010从哪个接口转发？A:1
| 目的地址范围 |
链路接口 |
| 11001000 00010111 00010*** ******** |
0 |
| 11001000 00010111 00011000 ******** |
1 |
| 11001000 00010111 00011*** ******** |
2 |
| 其它 |
3 |
数据报网络or VC网络?
| Internet（数据报网络） |
ATM（VC网络） |
| 计算机之间的数据交换 “弹性”服务，没有严格时间需求 |
电话网络演化而来，核心业务是实时对话 有保障的服务，严格的时间需求 |
| 链路类型众多，特点性能各异，统一服务困难 |
|
| “智能”端系统（计算机） 可以自适应、性能控制、差错恢复 |
“哑（dumb）”端系统（非智能） 电话机、传真机 |
| 简化网络，复杂“边缘” |
简化“边缘”，复杂网络 |
三、IPv4协议
1、IP数据报
版本号字段占4位，IP协议的版本号。如4→IPv4、6→IPv6。
首部长度字段占4位，IP分组首部长度，以4字节为单位。如5→IP首部长度为20字节。
服务类型（TOS）字段占8位，指示期望获得哪种类型的服务。1998 年这个字段改名为区分服务。只有在网络提供区分服务（DiffServ）时使用，一般情况下不使用，通常IP分组的该字段（第2字节）的值为00H。
总长度字段占16位，IP分组的总字节数（首部+数据）。最大IP分组的总长度65535B，最小的IP分组首部20B，IP分组可以封装的最大数据65535-20=65515B。
生存时间（TTL）字段占8位，IP分组在网络中可以通过的路由器数（或跳步数）。路由器转发一次分组，TTL减1；如果TTL=0，路由器丢弃该IP分组。
协议字段占8位，指示IP分组封装的是哪个协议的数据包，实现复用/分解。如6为TCP，表示封装的为TCP段；17为UDP，表示封装的是UDP数据报。
首部校验和字段占16位，实现对IP分组首部的差错检测。计算校验和时，该字段置全0；采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段；逐跳计算、逐跳校验，因为TTL等会变化。
源IP地址、目的IP地址字段各占32位，分别标识发送分组的源主机/路由器（网络接口）和接收分组的目的主机/路由器（网络接口）的IP地址。
选项字段长度（1~40B）可变，携带安全、源选路径、时间戳和路由记录等内容，实际上很少被使用。
填充字段长度（0~3B）可变，目的是补齐整个首部，符合32位对齐，保证首部长度是4字节的倍数。
2、IP分片
（1）IP分片与重组
网络链路存在最大传输单元（MTU），即链路层数据帧可封装数据的上限，不同链路的MTU不同。
大IP分组向较小MTU链路转发时，可以被“分片”（fragmented），1个IP分组分为多片IP分组；IP分片到达目的主机后进行“重组”（reassembled）。IP首部的相关字段用于标识分片以及确定分片的相对顺序，总长度、标识、标志位和片偏移。
（2）IP分组格式
标识字段占16位，标识一个IP分组。IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加1，作为该IP分组的标识。
标志位字段占3位，DF（Don't Fragment），MF（More Fragment）。DF=1禁止分片；DF=0允许分片。MF=1，非最后一片，MF=0，最后一片（或未分片）。
片偏移字段占13位，一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量。片偏移字段以8字节为单位，除了最后一片，前面的所有分片封装的数据字节数是8的倍数。
（3）IP分片过程
假设原IP分组总长度为L，待转发链路的MTU为M。若L>M，且DF=0，则可以/需要分片。分片时每个分片的标识复制原IP分组的标识。
通常分片时，除最后一个分片，其它分片均分为MTU允许的最大分片。一个最大分片可封装的数据应该是8的倍数，因此，一个最大分片可封装的数据为：（向下取整）
需要的总片数为：（向上取整）
每片的片偏移字段取值为：
每片的总长度字段为：
每片的MF标志位为：
3、IP编址（addressing）
IP分组包含源地址（SA）和目的地址（DA）。
接口（interface），主机/路由器与物理链路的连接，实现网络层功能。路由器通常有多个接口，主机通常只有一个或两个接口（e.g.有线的以太网接口，无线的802.11接口）。
IP地址，32比特（IPv4），通常采用点分十进制，编号标识主机、路由器的接口。IP地址与每个实现网络层功能的接口关联。
IP地址的高位比特称为网络号（NetID），低位比特称为主机号（HostID）。IP子网（Subnets）指IP地址具有相同网络号的设备接口，不跨越路由器（第三及以上层网络设备）可以彼此物理联通的接口。
4、有类IP地址
特殊IP地址，不能用于标识具体的IP接口。
| NetID |
HostID |
作为IP分组源地址 |
作为IP分组目的地址 |
用途 |
| 全0 |
全0 |
可以 |
不可以 |
在本网范围内表示本机，在路由表中用于表示默认路由（相当于表示整个Internet网络） |
| 全0 |
特定值 |
不可以 |
可以 |
表示本网内某个特定主机 |
| 全1 |
全1 |
不可以 |
可以 |
本网广播地址（路由器不转发） |
| 特定值 |
全0 |
不可以 |
不可以 |
网络地址，表示一个网络 |
| 特定值 |
全1 |
不可以 |
可以 |
直接广播地址，对特定网络上的所有主机进行广播 |
| 127 |
非全0或非全1的任何数 |
可以 |
可以 |
用于本地软件环回测试，称为环回地址 |
私有（Private）IP地址，只用于内部网络。
| Class |
NetIDs |
Blocks |
| A |
10 |
1 |
| B |
172.16to172.31 |
16 |
| C |
192.168.0to192.168.255 |
256 |
5、IP子网划分与子网掩码
子网划分（Subnetting）用于区分一个IP子网更小范围网络（子网）。将IP地址划分为网络号（NetID）、子网号（SubID、原主机号部分比特）和主机号（HostID）。子网划分后利用路由器等设备互连，将子网的信息反映到转发表中。
“子网地址+子网掩码”，准确确定子网大小。子网掩码形如IP地址，32位，点分十进制形式。取值NetID、SubID位全取1，HostID位全取0。例：A网的默认子网掩码为255.0.0.0；B网的默认子网掩码为255.255.0.0；C网的默认子网掩码为255.255.255.0；借用3比特划分子网的B网的子网掩码为：255.255.224.0。例：将子网201.2.3.0划分为等长的4个子网。
将IP分组的目的IP地址与子网掩码按位与运算，提取子网地址。例：目的IP地址172.32.1.112，子网掩码255.255.254.0。
172.32.1.112 = 10101100 00100000 00000001 01110000
255.255.254.0=11111111 11111111 11111110 00000000
10101100 00100000 00000000 00000000
172 32 0 0
子网地址：172.32.0.0（子网掩码：255.255.254.0）
地址范围：172.32.0.0~172.32.1.255
可分配地址范围：172.32.0.1~172.32.1.254
广播地址：172.32.1.255
一个C类网络划分子网举例。子网划分会造成一定的IP地址的浪费，但使网络性能改进。
| 子网 |
SubID （二进制） |
HostID取值范围 （二进制） |
第4八位组取值范围 （十进制） |
| 1# |
000 |
00000 thru 11111 |
.0 thru .31 |
| 2# |
001 |
00000 thru 11111 |
.32 thru .63 |
| 3# |
010 |
00000 thru 11111 |
.64 thru .95 |
| 4# |
011 |
00000 thru 11111 |
.96 thru .127 |
| 5# |
100 |
00000 thru 11111 |
.128 thru .159 |
| 6# |
101 |
00000 thru 11111 |
.160 thru .191 |
| 7# |
110 |
00000 thru 11111 |
.192 thru .223 |
| 8# |
111 |
00000 thru 11111 |
.224 thru .255 |