我画了 40 张图就是为了让你搞懂计算机网络层

使用网络互联的交换方式；假定所有链路的速度相同；在链路中一个分组由输入端口交换到输出端口所花的时间相同，从任意一个输入端口传送到给定的输出端口；分组按照 FCFS 的方式，只要输出端口不同，就可以进行并行传送。但是如果位于任意两个输入端口中的分组是发往同一个目的地的，那么其中的一个分组将被阻塞，而且必须在输入队列中等待，因为交换结构一次只能传输一个到指定端口。

如下图所示

在 A 队列中，输入队列中的两个分组会发送至同一个目的地 X，假设在交换结构正要发送 A 中的分组，在这个时候，C 队列中也有一个分组发送至 X，在这种情况下，C 中发送至 X 的分组将会等待，不仅如此，C 队列中发送至 Y 输出端口的分组也会等待，即使 Y 中没有出现竞争的情况。这种现象叫做线路前部阻塞(Head-Of-The-Line, HOL)。

输出队列

我们下面讨论输出队列中出现等待的情况。假设交换速率要比输入/输出的传输速率快很多，而且有 N 个输入分组的目的地是转发至相同的输出端口。在这种情况下，在向输出链路发送分组的过程中，将会有 N 个新分组到达传输端口。因为输出端口在一个单位时间内只能传输一个分组，那么这 N 个分组将会等待。然而在等待 N 个分组被处理的过程中，同时又有 N 个分组到达，所以 ，分组队列能够在输出端口形成。这种情况下最终会因为分组数量变的足够大，从而耗尽输出端口的可用内存。

如果没有足够的内存来缓存分组的话，就必须考虑其他的方式，主要有两种：一种是丢失分组，采用弃尾(drop-tail)的方法；一种是删除一个或多个已经排队的分组，从而来为新的分组腾出空间。

网络层的策略对 TCP 拥塞控制影响很大的就是路由器的分组丢弃策略。在最简单的情况下，路由器的队列通常都是按照 FCFS 的规则处理到来的分组。由于队列长度总是有限的，因此当队列已经满了的时候，以后再到达的所有分组（如果能够继续排队，这些分组都将排在队列的尾部）将都被丢弃。这就叫做尾部丢弃策略。

通常情况下，在缓冲填满之前将其丢弃是更好的策略。

如上图所示，A B C 每个输入端口都到达了一个分组，而且这个分组都是发往 X 的，同一时间只能处理一个分组，然后这时，又有两个分组分别由 A B 发往 X，所以此时有 4 个分组在 X 中进行等待。

等上一个分组被转发完成后，输出端口就会选择在剩下的分组中根据分组调度(packet scheduleer)选择一个分组来进行传输，我们下面就会聊到分组传输。

分组调度

现在我们来讨论一下分组调度次序的问题，即排队的分组如何经输出链路传输的问题。我们生活中有无数排队的例子，但是我们生活中一般的排队算法都是先来先服务(FCFS)，也是先进先出(FIFO)。

先进先出

先进先出就映射为数据结构中的队列，只不过它现在是链路调度规则的排队模型。

FIFO 调度规则按照分组到达输出链路队列的相同次序来选择分组，先到达队列的分组将先会被转发。在这种抽象模型中，如果队列已满，那么弃尾的分组将是队列末尾的后面一个。

优先级排队

优先级排队是先进先出排队的改良版本，到达输出链路的分组被分类放入输出队列中的优先权类，如下图所示

通常情况下，每个优先级不同的分组有自己的优先级类，每个优先级类有自己的队列，分组传输会首先从优先级高的队列中进行，在同一类优先级的分组之间的选择通常是以 FIFO 的方式完成。

循环加权公平排队

在循环加权公平规则(round robin queuing discipline)下，分组像使用优先级那样被分类。然而，在类之间却不存在严格的服务优先权。循环调度器在这些类之间循环轮流提供服务。如下图所示

在循环加权公平排队中，类 1 的分组被传输，接着是类 2 的分组，最后是类 3 的分组，这算是一个循环，然后接下来又重新开始，又从 1 -> 2 -> 3 这个顺序进行轮询。每个队列也是一个先入先出的队列。

这是一种所谓的保持工作排队(work-conserving queuing)的规则，就是说如果轮询的过程中发现有空队列，输出端口不会等待分组，而是继续轮询下面的队列。

IP 协议

路由器对分组进行转发后，就会把数据包传到网络上，数据包最终是要传递到客户端或者服务器上的，那么数据包怎么知道要发往哪里呢？起到关键作用的就是 IP 协议。

IP 主要分为三个部分，分别是IP 寻址、路由和分包组包。下面我们主要围绕这三点进行阐述。

IP 地址

既然一个数据包要在网络上传输，那么肯定需要知道这个数据包到底发往哪里，也就是说需要一个目标地址信息，IP 地址就是连接网络中的所有主机进行通信的目标地址，因此，在网络上的每个主机都需要有自己的 IP 地址。

在 IP 数据报发送的链路中，有可能链路非常长，比如说由中国发往美国的一个数据报，由于网络抖动等一些意外因素可能会导致数据报丢失，这时我们在这条链路中会放入一些中转站，一方面能够确保数据报是否丢失，另一方面能够控制数据报的转发，这个中转站就是我们前面聊过的路由器，这个转发过程就是路由控制。

路由控制(Routing)是指将分组数据发送到最终目标地址的功能，即使网络复杂多变，也能够通过路由控制到达目标地址。因此，一个数据报能否到达目标主机，关键就在于路由器的控制。

这里有一个名词，就是跳，因为在一条链路中可能会布满很多路由器，路由器和路由器之间的数据报传送就是跳，比如你和隔壁老王通信，中间就可能会经过路由器 A-> 路由器 B -> 路由器 C 。

那么一跳的范围有多大呢？

一跳是指从源 MAC 地址到目标 MAC 地址之间传输帧的区间，这里引出一个新的名词，MAC 地址是啥？

MAC 地址指的就是计算机的物理地址(Physical Address)，它是用来确认网络设备位置的地址。在 OSI 网络模型中，网络层负责 IP 地址的定位，而数据链路层负责 MAC 地址的定位。MAC 地址用于在网络中唯一标示一个网卡，一台设备若有一或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的 MAC 地址，也就是说 MAC 地址和网卡是紧密联系在一起的。

路由器的每一跳都需要询问当前中转的路由器，下一跳应该跳到哪里，从而跳转到目标地址。而不是数据报刚开始发送后，网络中所有的通路都会显示出来，这种多次跳转也叫做多跳路由。

IP 地址定义

现如今有两个版本的 IP 地址，IPv4 和 IPv6，我们首先探讨一下现如今还在广泛使用的 IPv4 地址，后面再考虑 IPv6 。

IPv4 由 32 位正整数来表示，在计算机内部会转化为二进制来处理，但是二进制不符合人类阅读的习惯，所以我们根据易读性的原则把 32 位的 IP 地址以 8 位为一组，分成四组，每组之间以.进行分割，再将每组转换为十进制数。如下图所示

那么上面这个 32 位的 IP 地址就会被转换为十进制的 156.197.1.1。

除此之外，从图中我们还可以得到如下信息

每个这样 8 位位一组的数字，自然是非负数，其取值范围是 [0,255]。

IP 地址的总个数有 2^32 次幂个，这个数值算下来是4294967296，大概能允许 43 亿台设备连接到网络。实际上真的如此吗？

实际上 IP 不会以主机的个数来配置的，而是根据设备上的网卡(NIC)进行配置，每一块网卡都会设置一个或者多个 IP 地址，而且通常一台路由器会有至少两块网卡，所以可以设置两个以上的 IP 地址，所以主机的数量远远达不到 43 亿。

IP 地址构造和分类

IP 地址由网络标识和主机标识两部分组成，网络标识代表着网络地址，主机标识代表着主机地址。网络标识在数据链路的每个段配置不同的值。网络标识必须保证相互连接的每个段的地址都不重复。而相同段内相连的主机必须有相同的网络地址。IP 地址的主机标识则不允许在同一网段内重复出现。

（编辑：安卓应用网_ASP源码网）

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