【网络层概述】
网络层的任务是将分组从源主机传送到目的主机，这期间可能要跨越多个异构的通信子网，经过许多中间节点，存在多条可达的网络路径
为满足上述要求，有以下解决方法：
- 提供跨越异构网络的主机寻址方案：该方案能够为互连的每个节点分配一个唯一的网络地址，通过分组头部中的源地址和目的主机地址来识别相互通信的计算机，解决不同类型网络之间的主机寻址问题
- 提供路由选择功能：确保分组沿着最佳路径从一个网络转发到另一个网络，最终到达目的主机
- 提供对异构网络互连的支持：包括为不同网络的互连提供硬件接口和规定相应的通信协议
网络层是通信子网的最高层，关系到整个通信子网的运行控制，其提供的包转发和路由处理功能关系到从源主机到目标主机的数据可达问题，直接影响到整个网络的通信质量
如果网络层设备在处理包时出现了问题，不仅会引入传输问题和传输延迟，还会导致包将被丢弃，因此，为满足网络层的需求，有了路由器，其是整个网络的交通枢纽
【路由器概述】
网络层的核心设备是路由器，其可以支持各种异构网络的互连，实现不同网络主机之间的通信，其是整个网络互连环境中最关键的设备
路由器实现了网络的互联，路由器最基本的功能是路由与交换，即为每个数据分组选择一条从源到目的端的最佳路径，并将分组通过所选定的路径转发出去
路由器中的分组转发主要依靠查找转发表来完成，而转发表又是根据内存中的路由表得到的，路由表能否正常工作直接影响互连网络的连通性
路由器必须完成两个基本功能：路由处理、数据包转发处理
- 路由处理：收集网络拓扑信息并动态形成路由表
- 数据转发：根据转发表转发 IP 数据包
【路由器结构】
路由器是具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，分为路由选择部分、分组转发部分，其中路由选择部分用于控制，分组转发部分用于数据转发
路由选择部分
路由选择部分的核心构件是路由选择处理机，其运行系统软件或路由选择协议，定期交换网络的拓扑结构信息，依照拓扑结构动态更新和维护路由表
数据包转发部分
数据包转发部分主要是根据控制层面生成的转发表转发 IP 数据包
转发表是根据路由表生成的，其表项和路由表项有直接对应关系，但转发表的格式和路由表的格式不同，它更适合实现快速查找
数据包转发部分分为三模块：交换结构、输入端口、输出端口
交换结构根据转发表对来自某个输入端口的数据包进行处理，并使之从一个合适的输出端口转发，以完成输入端口和输出端口之间的互连功能，常用的交换结构有：总线型交换、共享存储型交换、交叉开关型交换
输入端口是物理链路的连接点，也是数据包的接收点，端口通常由线卡提供，一块线卡一般支持 4、8、16 个端口。每个输入端口都有三个模块，它们分别是对应于物理层、数据链路层、网络层的模块
在输入端口接收到分组后：
- 如果是路由交换信息：交由路由选择处理机处理
- 如果是数据：查找转发表
- 一个分组未处理完，又到了新的分组：在输入队列中排队
输出端口主要提供对网络层数据进行队列和缓冲管理，其从交换结构接收数据包，然后将它们发送到路由器的线路接口卡上
当交换结构传送的数据包的速率超过输出链路的发送速率时，来不及发送的数据包就暂时存放在队列中，输出端口使用复杂的调度算法实现 QoS 功能
【路由器工作原理】
路由器的工作流程如下：
- 线路输入：IP 分组从不同线路到达路由器的线卡接口，线路输入处理部分对它进行信号恢复、译码和 CRC 校验，放进输入 FIFO 队列
- 数据存储：输入 FIFO 队列的数据要送入数据存储器
- 数据包头部分析：取出分组进行分析，主要是三层目的 IP 地址
- 数据包头部修改：在进入输出队列前，要修改分组头部，包括 TTL 值减 1、更新 IP 头部校验和、替换二层 MAC 地址等，交给输出FIFO队列
- 线路输出：在数据包头部修改后，交给输出 FIFO 队列，进行输出
【路由器处理能力】
衡量路由器性能的重要参数是路由器每秒能够处理的数据包数
决定路由器处理数据包的能力的因素有：
- 输入端口的处理速率
- 查找转发表的速率
- 数据包交换的速率
- 输出端口的处理速率
分组在输入和输出端口都有可能在队列中排队等候处理，从而产生一定的延时，如果分组处理的速率低于分组进入队列的速率，队列的可用存储空间最终会减少到 0，这使后续的分组由于没有存储空间而被丢弃
【路由表的生成与维护】
路由分为静态路由、动态路由
静态路由是指由网络管理员根据其所掌握的网络连通信息手工配置的路由表表项，其有一种特殊的路由，称为默认路由(default)
默认路由能够为那些在路由表中没有其它路由与其目的地址匹配的数据包指出数据包转发所需的端口
动态路由是指路由器依靠路由协议自主学习而获得路由信息
