（一）网络层的功能

1. 异构网络互联

1.1. IP 网

• 使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网；

• 互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的；

• 优点：IP 协议使性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络，方便互相通信，不用管异构网络的具体细节；

2. （⭐）路由和转发

2.1. 路由表

• 表项：(1) 目的主机所在网络，(2) 下一跳地址，或直接交付接口号；

  • 间接交付时，下跳地址和接口号都要有；

  • 直接交付时只需要接口号；

• 路由器的直接交付接口所连网络称为直接交付网络，称直连路由；

  • 例如：图中网 2 和 网 3 就是路由器 R2 的直连路由网，分别连到接口 0 和 1；

• 下跳地址：用于间接交付，用于将数据包转发给指定的路由器；

  • 含义：通常和直接交付接口号一起，将数据包转发给直连网，并指定直连网转发给下一个路由器所在的地址；

  • 例如：图中 R2 不能直接访问到网 1，因此对于网 1 范围地址，需要先转发给网 2，由网 2 发送给 R1 再进行交付；

  • 注意：图中 R2 下跳地址不能直接写 10.0.0.4 和 40.0.0.4（超出本路由器直连网范围）

• 默认路由，子网掩码和直连网关

  • 子网掩码：路由器将目的 IP 地址和子网掩码进行按位与运算，再去和路由表中的表项匹配，确定如何转发；

  • 下一跳地址（网关）为 0.0.0.0 说明此表项为直连地址，不需要再路由了；

  • 默认路由：表项中目的地址为 0.0.0.0 表示此表项为默认路由地址

    • 子网掩码也为 0.0.0.0；

    • 作用：当一个目的地址不能和其他任何一个表项匹配时，走这个表项（子网掩码保证了一定可以匹配）；

    • 网关可以自由确定；

  • 简化写法：xxx.yyy.zzz.www/r 同时给出目的地址和子网掩码；

    • xxx.yyy.zzz.www：表示目的地址；

    • r：一个正整数，表示 32 位子网掩码前面连续 1 的个数；

      • 如 /16：子网掩码为 255.255.0.0，/27：子网掩码为 255.255.255.224；

• 主机路由：路由器为某个特定 IP 地址的主机专门创建一个表项，子网掩码为 255.255.255.255；

2.2. 分组转发

• 步骤：

  • 1）从数据包中提取出目的 IP 地址 $D$，和掩码运算后得到网络地址 $N$；

  • 2）若 $N$ 是直连网，则启动直接交付；

  • 3）查找是否存在主机路由，若有，则转发给其指定的网关；

  • 4）若无主机路由，则查找网络地址 $N$ 的路由，若有，则转发给指定网关；

  • 5）若找不到 $N$ 的路由信息，则转发给默认路由；

  • 6）若没有默认路由，则报错；

• 优先级：直连转发 > 主机路由 > 网络路由 > 默认路由；

3. 软件定义网络 SDN（Software Defined Network）

3.1. 基本概念

• SDN 是一个体系结构，是一种设计、构建和管理网络的新方法或新概念；

• SDN 把控制层面和数据层面分离，而让控制层面利用软件控制数据层面的设备；

3.2. 传统控制层面 & 数据层面（以路由器为例）

• 数据层面

  • 路由器根据本路由器生成转发表，把收到的分组从查找到的对应接口转发出去；

  • 独立工作；

  • 采用硬件进行转发，快；

• 控制层面

  • 根据路由选择协议所用的路由算法计算路由，创建出本路由器的路由表；

  • 许多路由器协同动作；

  • 采用软件计算，慢；

3.3. SDN 的控制层面 & 数据层面

• 远程控制器：计算出最佳的路由，生成每个路由器对应的的转发表，并下发给对应路由器；

• 路由器通过 OpenFlow 协议和远程控制器沟通（此结构中路由器又称 OpenFlow 交换机）；

• 流（Flow）：一种分组序列，序列中的分组共享分组首部某些字段的值；

• 流表（Flow Table）："匹配 + 动作"，规定了路由器如何匹配分组，以及匹配成功后执行的动作；

• 广义转发：通过流表，路由器可以对**不同层次（链路层，网络层，传输层）**首部中的字段进行匹配和转发；

3.4. SDN 体系结构