概述网络层的功能与转发过程，重点梳理 IPv4 地址、分组、路由和数据报传输。

# 网络层的定位

网络层位于传输层之下、数据链路层之上，核心任务是在不同网络之间转发分组，让源主机的数据能够跨越多个链路到达目的主机。

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flowchart LR
    A[源主机] --> R1[路由器]
    R1 --> R2[路由器]
    R2 --> R3[路由器]
    R3 --> B[目的主机]

数据链路层只负责相邻结点之间传帧；网络层负责跨网络、跨路由器的分组转发。

# 网络层主要功能

# 转发与路由

网络层有两个容易混淆的概念：转发和路由。

一句话：

• 路由决定 “路怎么走”。
• 转发执行 “下一跳发到哪”。

# 数据报服务与虚电路服务

网络层可以提供两类服务。

IP 网络采用数据报服务，因此 IP 是无连接、尽力而为、不可靠的协议。

# 拥塞控制

拥塞指网络中进入的分组过多，超过路由器、链路和缓冲区处理能力，导致排队时延增大、丢包增多、吞吐量下降。

拥塞控制与流量控制不同：

常见拥塞控制思路：

• 开环控制：提前设计，预防拥塞，如流量整形、资源预留。
• 闭环控制：监测拥塞后反馈调整，如丢包、延迟、显式拥塞通知。

# IPv4 地址

IPv4 地址长度为 32 bit，通常写成点分十进制。

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二进制: 11000000.10101000.00000001.00000001
十进制: 192.168.1.1

IPv4 地址由网络号和主机号组成：

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IP 地址 = 网络号 + 主机号

网络号标识主机所在网络，主机号标识该网络中的具体主机。

# IPv4 分类地址

传统分类编址把 IPv4 地址分为 A、B、C、D、E 五类。

特殊范围：

• 0.0.0.0 ：本网络、本主机或默认路由中的特殊地址。
• 127.0.0.0/8 ：环回地址，常用 127.0.0.1 。
• 主机号全 0：网络地址。
• 主机号全 1：该网络的广播地址。

# 私有地址

私有地址不能直接在公网路由，通常通过 NAT 访问公网。

# IPv4 数据报格式

IPv4 首部最小 20B，最大 60B。

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title: "IPv4 数据报格式"
---
packet
0-3: "版本"
4-7: "首部长度"
8-15: "区分服务"
16-31: "总长度"
32-47: "标识"
48-50: "标志"
51-63: "片偏移"
64-71: "TTL"
72-79: "协议"
80-95: "首部校验和"
96-127: "源 IP 地址"
128-159: "目的 IP 地址"
160-191: "选项 + 填充"
192-255: "数据 (可变长度)"

重要字段：

# IPv4 分片

当 IP 数据报长度超过下一条链路的 MTU，且 DF 未置位时，路由器可以对其分片。

相关字段：

# 分片计算

若 MTU 为 1500B，IP 首部为 20B，则每个分片最多携带：

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1500 - 20 = 1480B

除最后一个分片外，数据长度必须是 8B 的整数倍，因为片偏移以 8B 为单位。

# 分片重组

IP 分片只在目的主机重组，中间路由器不重组。

原因：

• 中间路由器重组会增加负担。
• 后续链路可能还需要再次分片。
• 数据报的不同分片可能走不同路径。

# 本节考点

1. 网络层负责异构网络互联、路由选择、分组转发和拥塞控制。
2. 转发是查表发分组，路由是计算和维护路径。
3. IP 提供无连接、不可靠、尽力而为的数据报服务。
4. IPv4 地址 32 bit，点分十进制表示。
5. A/B/C 类默认网络号分别为 8/16/24 bit；D 类用于组播。
6. IPv4 首部最小 20B，最大 60B。
7. TTL 每过一个路由器减 1；协议字段标识上层协议。
8. IP 分片偏移单位是 8B，分片只在目的主机重组。