在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的五層或TCP/IP四層參考模型中，網(wǎng)絡(luò)層（又稱(chēng)網(wǎng)際層）扮演著承上啟下、實(shí)現(xiàn)端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵角色。它位于數(shù)據(jù)鏈路層之上、傳輸層之下，是處理數(shù)據(jù)跨多個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由和轉(zhuǎn)發(fā)的核心層級(jí)。
網(wǎng)絡(luò)層的核心功能與目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包從源主機(jī)到目的主機(jī)的邏輯傳輸，即使源和目的主機(jī)不在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上。為了實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，它主要承擔(dān)三大核心任務(wù)：
- 路由選擇：這是網(wǎng)絡(luò)層最核心的功能。路由器等網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備通過(guò)內(nèi)部的路由協(xié)議（如RIP、OSPF、BGP），動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算出從源到目的地的“最佳”路徑。這個(gè)“最佳”可能基于最短跳數(shù)、最低延遲或最高帶寬等度量標(biāo)準(zhǔn)。路由選擇決定了數(shù)據(jù)包將穿越哪些中間節(jié)點(diǎn)，是數(shù)據(jù)能夠在全球互聯(lián)網(wǎng)中準(zhǔn)確送達(dá)的“導(dǎo)航系統(tǒng)”。
- 分組轉(zhuǎn)發(fā)：當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器時(shí)，路由器根據(jù)數(shù)據(jù)包首部中的目的地址信息，查詢(xún)其內(nèi)部的路由表，決定該數(shù)據(jù)包應(yīng)該從哪個(gè)輸出端口發(fā)送出去。這個(gè)過(guò)程就是轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)是路由器根據(jù)路由選擇的結(jié)果所執(zhí)行的、面向單個(gè)數(shù)據(jù)包的本地操作。
- 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)：全球互聯(lián)網(wǎng)是由眾多不同類(lèi)型的物理網(wǎng)絡(luò)（如以太網(wǎng)、Wi-Fi、光纖、衛(wèi)星鏈路等）互連而成的。數(shù)據(jù)鏈路層只能在同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)中工作。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)定義統(tǒng)一的、與底層物理技術(shù)無(wú)關(guān)的邏輯地址（即IP地址）和數(shù)據(jù)包格式（如IP數(shù)據(jù)報(bào)），屏蔽了底層網(wǎng)絡(luò)的差異，使得所有網(wǎng)絡(luò)在更高層次上看起來(lái)像一個(gè)統(tǒng)一的、虛擬的巨型網(wǎng)絡(luò)。這就是網(wǎng)絡(luò)層的“互聯(lián)”本質(zhì)。
為了履行這些職責(zé)，網(wǎng)絡(luò)層依賴(lài)于幾個(gè)關(guān)鍵的協(xié)議與技術(shù)：
- IP協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)層的核心協(xié)議。當(dāng)前廣泛使用的是IPv4，其未來(lái)替代者是IPv6。IP協(xié)議定義了IP地址的格式和IP數(shù)據(jù)報(bào)的結(jié)構(gòu)，提供了無(wú)連接的、盡最大努力交付的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。它不保證可靠性，可靠性由上層協(xié)議（如TCP）來(lái)補(bǔ)充。
- 地址解析協(xié)議：包括ARP（將IP地址解析為MAC地址）和ICMP（用于網(wǎng)絡(luò)故障診斷和控制，如ping命令）。
- 路由協(xié)議：如前所述，分為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP，如OSPF）和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（EGP，主要是BGP）。
網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)單元被稱(chēng)為“數(shù)據(jù)包”或“分組”。發(fā)送方傳輸層下來(lái)的數(shù)據(jù)段，在網(wǎng)絡(luò)層被封裝上IP首部，形成IP數(shù)據(jù)包。IP首部包含了至關(guān)重要的信息，如源IP地址、目的IP地址、生存時(shí)間（TTL）、協(xié)議類(lèi)型等，它們是路由器進(jìn)行路由和轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)。
網(wǎng)絡(luò)層是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的“交通樞紐”和“翻譯官”。它通過(guò)精妙的路由算法和全球統(tǒng)一的尋址方案，將一個(gè)個(gè)孤立的局域網(wǎng)編織成覆蓋全球的互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了“地球村”中任意兩點(diǎn)間的邏輯連通，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)其互聯(lián)互通終極使命的基石。理解網(wǎng)絡(luò)層，是理解互聯(lián)網(wǎng)如何工作的關(guān)鍵一步。
