在計算機網(wǎng)絡的五層或TCP/IP四層參考模型中，網(wǎng)絡層（又稱網(wǎng)際層）扮演著承上啟下、實現(xiàn)端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P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)跨多個網(wǎng)絡進行路由和轉(zhuǎn)發(fā)的核心層級。
網(wǎng)絡層的核心功能與目標是實現(xiàn)數(shù)據(jù)包從源主機到目的主機的邏輯傳輸，即使源和目的主機不在同一個物理網(wǎng)絡上。為了實現(xiàn)這一宏偉目標，它主要承擔三大核心任務：
- 路由選擇：這是網(wǎng)絡層最核心的功能。路由器等網(wǎng)絡層設備通過內(nèi)部的路由協(xié)議（如RIP、OSPF、BGP），動態(tài)地發(fā)現(xiàn)和維護整個網(wǎng)絡的拓撲結構，計算出從源到目的地的“最佳”路徑。這個“最佳”可能基于最短跳數(shù)、最低延遲或最高帶寬等度量標準。路由選擇決定了數(shù)據(jù)包將穿越哪些中間節(jié)點，是數(shù)據(jù)能夠在全球互聯(lián)網(wǎng)中準確送達的“導航系統(tǒng)”。
- 分組轉(zhuǎn)發(fā)：當一個數(shù)據(jù)包到達路由器時，路由器根據(jù)數(shù)據(jù)包首部中的目的地址信息，查詢其內(nèi)部的路由表，決定該數(shù)據(jù)包應該從哪個輸出端口發(fā)送出去。這個過程就是轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)是路由器根據(jù)路由選擇的結果所執(zhí)行的、面向單個數(shù)據(jù)包的本地操作。
- 異構網(wǎng)絡互聯(lián)：全球互聯(lián)網(wǎng)是由眾多不同類型的物理網(wǎng)絡（如以太網(wǎng)、Wi-Fi、光纖、衛(wèi)星鏈路等）互連而成的。數(shù)據(jù)鏈路層只能在同類型網(wǎng)絡中工作。網(wǎng)絡層通過定義統(tǒng)一的、與底層物理技術無關的邏輯地址（即IP地址）和數(shù)據(jù)包格式（如IP數(shù)據(jù)報），屏蔽了底層網(wǎng)絡的差異，使得所有網(wǎng)絡在更高層次上看起來像一個統(tǒng)一的、虛擬的巨型網(wǎng)絡。這就是網(wǎng)絡層的“互聯(lián)”本質(zhì)。
為了履行這些職責，網(wǎng)絡層依賴于幾個關鍵的協(xié)議與技術：
- IP協(xié)議：網(wǎng)絡層的核心協(xié)議。當前廣泛使用的是IPv4，其未來替代者是IPv6。IP協(xié)議定義了IP地址的格式和IP數(shù)據(jù)報的結構，提供了無連接的、盡最大努力交付的數(shù)據(jù)傳輸服務。它不保證可靠性，可靠性由上層協(xié)議（如TCP）來補充。
- 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)關協(xié)議（IGP，如OSPF）和外部網(wǎng)關協(xié)議（EGP，主要是BGP）。
網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)單元被稱為“數(shù)據(jù)包”或“分組”。發(fā)送方傳輸層下來的數(shù)據(jù)段，在網(wǎng)絡層被封裝上IP首部，形成IP數(shù)據(jù)包。IP首部包含了至關重要的信息，如源IP地址、目的IP地址、生存時間（TTL）、協(xié)議類型等，它們是路由器進行路由和轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)。
網(wǎng)絡層是網(wǎng)絡體系結構中的“交通樞紐”和“翻譯官”。它通過精妙的路由算法和全球統(tǒng)一的尋址方案，將一個個孤立的局域網(wǎng)編織成覆蓋全球的互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了“地球村”中任意兩點間的邏輯連通，是計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)其互聯(lián)互通終極使命的基石。理解網(wǎng)絡層，是理解互聯(lián)網(wǎng)如何工作的關鍵一步。
