网络层的功能、优缺点

网络层

• 网络层是计算机网络组件，它使得节点能够通过不同节点和设备之间的连接来传输数据包。
• 设备之间的数据传输以数据包的形式通过不同的逻辑网络路径进行。网络层是七层开放系统互连模型（OSI 模型）的第三层。它为网络中的数据包提供传输路径。网络层还安排和管理数据传输的可能路由。
• 网络层的主要功能包括在节点之间建立逻辑连接、转发数据以及在数据包交付过程中进行路由和报告错误。网络层可以支持面向连接的网络或无连接的网络。它不能同时支持这两种类型的网络。
• 网络层也被视为 OSI 模型的主干。它为每个数据段分配目标 IP 地址和源 IP 地址。它安排所有可能的路径来传输网络中的数据，然后选择最佳逻辑路径来在不同节点之间传输数据。
• 网络层响应其上一层的请求。其上一层是传输层。然后它会生成转发到模型较低层（即数据链路层）的请求。源和目标主机的数据在数据链路层附加到数据帧中。但网络层的工作是互连多个网络并确定数据传输的路由。
• 它只创建可能通信路径的逻辑映像，然后最佳路径会在物理介质中实现。此层使用多种硬件设备。这些设备包括路由器、调制解调器、桥接器、交换机和多个防火墙。
• 网络层存在于所有路由器和托管系统中。路由器的职责是检查从源节点传输到目标节点的所有数据包的头部字段。源节点在网络层实现网络软件，该软件在要交付的每个数据包中添加头部。它发送和读取数据包，以确保网络中的接收节点能够正确管理它。

网络层执行的功能

网络层执行多项功能以促进网络中的数据传输。执行的一些功能如下：

1. 路由：这是确定网络中最有效的数据传输路径的过程。当数据包到达路由器输入链路时，它会确定网络中最理想的数据传输路径。它确定将用于在网络中进一步传输数据包的路径。
2. 逻辑寻址：网络中有两种寻址方式：逻辑寻址和物理寻址。数据链路层执行物理寻址，而网络层在 OSI 模型中执行逻辑寻址。逻辑寻址也用于区分源系统和目标系统。网络层向数据包添加头部，其中包含发送方和接收方的逻辑地址。
3. 互连：这是 OSI 模型网络层执行的最重要功能。它在同一网络或不同网络中的节点之间建立逻辑连接。
4. 分片：这是将数据包转换为能够在网络中传输的最小单独数据单元。

网络层提供的服务

• 保证交付：此服务确保从节点传输的数据包能够到达网络中的最终目标节点。
• 带时延限制的保证交付：此服务确保从源发送的数据包在特定时延限制内到达目标节点。此限制由网络中的主机确定。
• 按顺序的包：数据在传输到网络之前被分成数据包。此服务确保传输之前和之后的各数据包序列相同。因此，数据包必须按顺序组合。
• 保证最大抖动：此服务保证两次连续传输之间的时间等于接收方接收两次连续传输数据包所花费的时间。这确保了网络中没有拥塞。
• 安全服务：此层最易受攻击，因为它直接连接到互联网。它还提供额外的安全措施以确保网络中的系统安全。此层在源节点和目标节点之间实现会话密钥。网络层在数据报传输到网络之前在源端对数据报的有效载荷进行加密。解密在目标端执行。目标主机解密有效载荷。因此，确保源身份验证服务中的数据完整性在网络中得到维护。

网络层设计中的问题

1. 如果开发人员和用户想要设计网络层并确保网络层执行所有必需的功能，则有某些挑战需要他们注意。网络层设计中的一些问题如下：
2. 路由数据包是与网络层相关的首要设计决策。这很重要，因为它决定了数据包如何在网络中的一个节点传输到另一个节点。
3. 传输节点内数据的路由可以是静态表或动态表。路由可以预定义或定期修改。
4. 在任何时刻，如果正在传输或网络中的数据包过多，它们将扰乱网络中的数据流。这可能在网络中造成瓶颈。
5. 网络传输的质量由与网络层相关的各种因素决定，例如延迟、抖动和传输时间。
6. 数据包在从一个网络传输到另一个网络时可能会遇到几个问题。两个网络可能具有不同的寻址方案。
7. 需要不同的协议来促进两个网络之间的通信。

网络层的优点

1. 在 OSI 模型中实现网络层有几个优点。使用网络层的一些优点如下：
2. 网络层对数据进行分片。这使得在网络中传输数据包更加容易。此服务还通过消除传输过程中的单点故障来确保数据包到达目标节点。
3. 路由器是网络层中使用的设备。它负责在网络层创建冲突和广播域，以减少网络中的流量。
4. 转发方法用于在网络中的不同节点之间传输数据包。

网络层的缺点

1. 网络层无法解决的一些缺点和问题。这些缺点如下：
2. 网络层设计不提供任何流量控制机制。
3. 在网络中传输的数据报过多时，可能会发生网络拥塞。这可能会给网络路由器增加额外的负担。如果数据报过多，路由器在某些情况下可能会丢失某些数据包。这可能导致传输过程中丢失重要信息。
4. 由于数据包在传输前被分片，因此无法在网络层实现间接控制。此层还缺乏有效的错误控制机制。

网络层的协议及其功能

OSI 模型网络层实现了多种协议。这些协议负责在节点和网络之间建立连接，并在网络层执行加密和检查。一些网络协议如下：

1. IP
2. IPsec
3. ICMP
4. IGMP
5. ARP

互联网协议 (IP)

IP 定义了数据包的结构，这些数据包负责根据头部中提到的 IP 地址封装数据，然后交付数据包。它还定义了数据报的寻址方法。此方法很有用，因为它可以帮助识别数据报的源和目标。

下面是一些网络层协议的示例。这些协议用于确定数据传输路由、确保同一网络或不同网络中节点之间的安全通信、翻译网络并实现冗余。

ARP

ARP 代表地址解析协议。此协议为设备的 MAC 地址分配 IP 地址。MAC 地址是用于唯一标识设备的唯一地址。设备必须具有 MAC 地址才能使用本地网络。但 MAC 地址很容易被修改。因此，在互联网上使用 IP 地址而不是 MAC 地址。设备 IP 地址无法更改。

例如，如果特定设备上的网卡发生故障，则设备的 MAC 地址将更改，但设备的 IP 地址将保持不变。地址解析协议可用于查找设备的 MAC 地址。

例如，如果某台机器上的网卡发生故障，MAC 地址会改变，但 IP 地址不会改变。当已知互联网地址时，ARP 用于查找节点的 MAC 地址。

注意：MAC 地址：MAC 地址用于标识实际设备。
IP 地址用于在网络中定位设备。

IGMP

IGMP 是 Internet Group Message Protocol 的缩写。互联网协议支持两种类型的通信。它们如下：

单播通信

组播通信

在单播通信中，有一个发送方和一个接收方节点。这是一种一对一的通信。但在组播通信中，只有一个发送方和多个接收方节点。这是一种一对多的通信。此协议由网络的路由器和主机实现和使用，以支持组播通信。它们使用此协议来识别本地网络中可用的、属于组的主机。它是 IP 层的一个组件，具有固定大小的消息。使用此协议发送的消息被封装在 IP 数据报内。

开放最短路径优先 (OSPF)

OSPF 是一种链路状态路由协议。该协议专为 IP 地址设计。该算法基于另一种称为最短路径优先的算法。系统中的路由器和节点（在区域内）维护相同的链路状态数据库，该数据库定义了该区域的拓扑。

路由信息协议 (RIP)

此距离矢量路由协议计算跳数作为计算路由距离的指标。跳数表示源节点和目标节点之间的路由器数量。跳数最少的路径被认为是网络源节点和目标节点之间的最佳路径。它通过限制源节点和目标节点之间的路径中允许的跳数来防止路由环路。

网络地址转换（NAT）

NAT 协议的原理是允许多个设备使用单个公共地址访问互联网。如果设备需要访问互联网，则它需要一个可以在互联网上标识设备的公共 IP 地址。为了实现这一点，该协议将设备的私有 IP 地址转换为所需的公共 IP 地址。

Internet Protocol Security (IPsec)

IPsec 由两个术语组成：IP 是 Internet Protocol 的缩写，sec 代表 security。它是网络层实现的一组协议的组合，用于在网络中的不同节点之间建立加密连接。它确保在公共网络上传输数据的安全性。这些协议用于建立虚拟专用网络 (VPN)。它们对 IP 数据包进行加密。这使用身份验证和数据加密来访问网络中的数据包。

热备路由器协议 (HSRP)

这是 CISCO 开发的一种专有协议，为本地子集提供冗余。实施此协议后，网络中的一个或多个路由器将充当虚拟路由器。此协议允许用户将两个或多个路由器配置为备用路由器。网络中只有一个路由器充当活动路由器。其余路由器仅在活动路由器发生故障时才起作用。

同一 HSRP 组中的所有路由器都具有相同的 MAC 和 IP 地址。此地址充当本地网络的默认网关。

虚拟路由器冗余协议 (VRRP)

冗余是指可用于访问网络节点的附加链路。它是一种提供网络冗余的开放标准协议。组中的路由器数量充当虚拟逻辑路由器。这些路由器充当网络中所有本地主机的默认网关。如果一个路由器未能正常履行其功能或关闭，则从组中分配另一个路由器负责在网络中转发数据流量。

网络层基础设施容易受到网络攻击，因为该层直接连接到互联网。OSI 模型网络层中最常见的协议是 Internet Protocol (IP)。该层最容易受到恶意攻击。

攻击者可能会发起分布式拒绝服务攻击，给路由器等物理网络接口带来不必要的负担。这可能导致网络之间的数据传输出现多个问题。

尽管这种比较可能具有误导性，但 OSI 网络层通常被引用为 TCP/IP 模型 Internet 层的等效层。但是，两者之间存在几个差异，TCP/IP Internet 层仅包含 OSI 网络层所涵盖功能的一部分。

转发和路由

OSI 模型中的网络层使用路由器在网络中转发数据包。网络中的每个路由器都有自己的转发表。路由器检查数据包的头部字段以将数据包进一步转发到网络中。头部字段值用于索引转发表。

与头部字段值关联的转发表中存储的值决定了数据包将被转发到的路由器的出站接口链路。

例如：如果路由器在路由器处遇到字段值为 0111，则路由器将使用头部值来确定转发表中的索引。输出链路接口为 2。然后路由器会将数据包传输到接口 2。路由算法将确定用作转发表索引的值。此表可以是集中式的（由网络中的所有路由器使用）或分散式的（即，网络中的每个路由器将创建自己的转发表）。