一、網絡層的任務和服務

計算機網絡的學習已經到網絡層部分了，從物理層、數據鏈路層，逐漸接近五層協議結構的上層。

網絡層是數據鏈路層的上一層，它的工作任務，也是核心功能，一共有兩個：分組轉發和路由選擇。

1、分組轉發

網絡層的主要任務就是將分組從源主機傳送到目的主機，最核心的設備無非就是路由器了。路由器維護了一個轉發表，在轉發分組時候，根據分組數據的首部標識在轉發表中查詢，然後轉發到目標地址。

2、路由選擇

當分組從發送方傳送到接收方，網絡層需要決定這些分組要走的路徑，這就是路由選擇（Routing）。路由選擇的結果就是生成轉發表。

路由選擇的方式包括：集中式、分布式。分布式自動路由選擇需要在路由器上運行路由選擇協議，互相交換路由信息並計算路由。實際上，該過程直接生成的是路由表，再生成轉發表。

在網絡層，提供了面向連接和無連接的服務。

面向連接服務的網絡成為虛電路網絡；無連接服務的網絡成為數據報網絡。

虛電路網絡的特點

可靠的通信由網絡來保證；終點地址僅在連接建立階段使用，每個分組使用短的虛電路號；屬於同一條虛電路的分組均按照同一個路由進行轉發，按發送順序到達終點；所有通過故障結點的虛電路都不能工作；容易實現，可以將通信資源提前分配給每一條虛電路。

數據報網絡的特點

可靠通信由用戶保證；每個分組都有完整的終點地址，達到終點可能不按順序；每個分組獨立選擇路由進行轉發；出故障的結點可能丟失分組，路由可能發生變化；很難實現。

二、ARP協議原理

網絡層中重要的協議：IP協議，是TCP/IP體系中最重要的協議之一。

IP協議配套的4個協議是：地址解析協議（ARP）、逆地址解析協議（RARP）、網際控制報文協議（ICMP）、網際組管理協議（IGMP）。

ARP和RARP協議解決了已知目標IP地址，需要獲得對應的物理地址；和反過程，已知目標物理地址，需要獲得相應的IP地址。

RARP協議現在已經沒有單獨使用，DHCP協議中已經包含RARP協議的功能。

這裡我主要記錄一下ARP工作過程。

在支持廣播的局域網中可以使用ARP協議解決IP地址和物理地址的動態映射關係問題。方法：每台主機都有ARP高速緩存，在其中存放了一個IP地址-物理地址的映射表，並且不斷動態更新。

ARP工作過程，我的總結如下：

1、目標物理地址在ARP Cache中

當A主機要發送IP數據報給同一局域網的主機B，A主機查詢自己的ARP Cache，發現存在B的IP地址和物理地址映射條目，因此就把MAC地址寫入MAC幀通過局域網發送到B的物理地址。

2、目標物理地址不在ARP高速緩存中

（1）第一步，A主機的ARP進程在局域網內部發送一個廣播ARP請求分組，該分組封裝在數據鏈路層的廣播幀中。主要內容是：我的IP地址是10.1.1.1，MAC地址00-00-25-AB-EE-9C，我想知道IP地址為10.1.1.2的MAC地址。
（2）第二步，局域網內部的所有主機上的ARP進程都會收到這個ARP請求分組。
（3）第三步，主機B發現ARP請求分組中的IP地址和自己的匹配，立即向A主機發送響應分組，寫入自己的MAC地址，主要內容是：我的IP地址是10.1.1.2，MAC地址00-ED-00-AB-24-9C。此時的響應分組是數據鏈路層單播，因為只從源地址發送給目標地址A主機。
（4）最後，主機A收到主機B的ARP響應分組，就在自己的ARP高速緩存中寫入B的IP地址-MAC地址映射。

在這個過程完成了主機A對主機B的MAC地址信息的獲取，當然，主機B會把主機A的IP地址-MAC地址寫入自己的Cache，方便之後可能的通信，不用發送ARP廣播，減少網絡的通信量。

看到這裡，我們會發現前提是在同一局域網下主機之間的數據傳送，在不用局域網中，主機A發送的廣播不會被主機B接收到，因此，需要通過路由器對主機A的請求進行轉發，再繼續上面的ARP工作過程。