网络层

数据链路层 解决了多台共用信道计算机之间的通讯问题。

在这一层，每台计算机与 以太网交换机 或者 集线器 之类的设备连接，并用 以太网协议 进行通信：

以太网

数据链路层局限性

随着接入的计算机不断增加，交换机一定遇到瓶颈。试想，如果全世界的计算机都接入，需要造一台多大的交换机(或许就根本无法实现)！

聪明如你，通过多台交换机组网不就解决中心化问题了？如下图，用一根网线将两台交换机连接起来：

多交换机组网

这样组网确实可以扩展以太网络的规模，但是远远达不到可以组建全球网络的水平。

瓶颈主要是以下几点：

• 广播风暴；
• 地址表规模(MAC地址分散性)；在 以太网交换 一节，我们知道 数据链路层 转发设备(即 交换机 )的工作原理。交换机对于不认识的目的 MAC 地址，采取广播策略。这意味着与陌生节点第一次通讯时，数据包需要 广播到所有节点 。这便是 广播风暴 ，网络规模越大，广播流量越恐怖。

为了保证地址的唯一性， MAC 地址按 设备厂商 划分并烧在网卡设备内。某个组织内部使用的设备可能千差万别，因此没有办法对地址表进行合并。合并要求地址是 连续 的，可形成 地址段 转发策略。

因此，我们需要在数据链路层的基础上，解决以上两大难题。

网络层

为了解决 数据链路层 的局限性，需要引入新的一层，以及新的地址。新的一层为 网络层 ，新的地址就是 网络层地址 。在网络层转发数据的中间节点，称为 网络层路由 。网络层主要职责在于：实现 全球寻址 以及 数据路由 。

每台参与网络通讯的计算机分配一个唯一的地址，即 网络层地址 。网络层地址按 网络拓扑 分配，保证组织内部的地址是连续的。例如，给某个公司分配地址 123.58.173.x ，只有最后一个数字是不同的。这样，一条转发配置便可为几百个地址服务。相应地，地址表规模也可下降若干数量级。

参考 数据链路层 ，定义网络层的数据包结构，包含 地址 、 数据 以及 类型 等信息。网络层包 承载在 数据链路层包 之上，换句话讲，数据链路层包 数据负载 就是一个 网络层包 。

网络层路由 存有 路由表 ，规定了目的地址与与下一跳的对应关系。路由表 看起来与数据链路层 MAC地址表 颇为类似，但更加高级：

• 支持 地址段 。一条记录配置某个区间地址的下一跳，有效降低路由表规模。
• 支持 高级学习算法 。例如选择一条跳数最少的路径。路由接到 网络层包 之后，以 目的地址 检索路由表决定如何发给下一跳：

数据包路由

中间路由接力转发，直到数据包到达目的地。如果路由表找不到下一跳，路由不会广播数据包，而是悄悄丢弃，避免广播风暴。

总结

本节，我们分析了 数据链路层 以及 以太网协议 的局限性。广播风暴 以及 MAC 地址表 分散性 严重制约了依赖以太网组建全球网络的可能性。

因此，需要引入新的一层—— 网络层 ，以实现 全球寻址 以及 高效的 数据路由 。

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