网络层是路由器吗（计算机网络与路由交换的区别）

在 OSI 模型中，数据链路层负责将「帧」的数据从一个连接点传输到另一个。相比之下，网络层的主要任务是确保源数据包能传输到目标接收方，这使网络层成为端到端数据传输过程中的基础层级。

当一台主机需要发送数据包时，它首先将数据包传输至距离最近的路由器。这个路由器可能位于同一个局域网内，也可能在某条特定的点到点链路上。

无论它在哪里，数据到达路由器后，该路由器会对数据进行较验，然后将数据包转发至下一个目标路由器，直至最终抵达目标主机。

为了简化理解，我们可以将路由器视为与主机类似的设备。

模拟数据传输过程

每个路由器都维护着一个内部表，这个表针对特定的目标地址应将数据包发送到哪条线路，这个内部表通常由目标地址和对应的出口线路两部分组成。

假设，我们传输一条长消息，我们将该消息分解成四个数据包：数据包1、数据包 2、数据包 3 和数据包 4。这些数据包按顺序发送至路由器A，根据路由器 A 的内部表，数据包沿着通往 C 的链路转发。

数据包 1 首先被路由至 E，然后转发至 F，并最终通过内部局域网到达目标主机，数据包2和数据包3也经过了类似的路径。

然而，当涉及到数据包 4 时，如果路由器 A 检测到 ACE 路径存在阻塞，它便会更新其路由表以选择一个可用的传输路径。

这个路由表的管理和选择过程，并决定最佳的数据传输路径，被称为「路由算法」。

路由器内部同时运行两个核心进程：一个是负责数据包的处理和转发，这称为「转发」；另一个则是负责路由表的生成和更新，为路由算法提供决策，而这个进程便是路由算法发挥作用的地方。

路由最短路径

确定数据传输的最佳路由路径是一个复杂的任务。一种测量路径长度的方法是「跳数」，但除此之外，还存在多种其他维度来评估和标识路径的效率。一般情况下，通过距离、带宽、平均流量、通信成本、平均延迟等因素。

为了综合这些因素并确定最佳路径，通常使用一个综合函数。这个函数会根据各因素的权重进行计算，从而确定最优路径，调整这些因素的权重，我们可以计算出不同条件下的「最短路径」。

在路由器初始配置时，所有路径的权重信息是未知的。因此所有的节点都被标记成「无限远」。

随着路由算法的不断运行，陆续有一些路径被找到，于是节点的标记发生变化，来反映出更好的路径。

路由分层

随着网络规模的扩大，路由器需要维护的路由表也成比例的增长。这不仅增加了路由器的内存负担，还需要更多的 CPU 资源来扫描和维护这些表项。

当网络规模达到一定程度时，为每一个可达的路由器维护一个表项变得不切实际。因此，为了应对这一挑战，路由器需要采取分层的策略。

以 720 个路由器的子网为例，如果不采用分层策略，每个路由器都需要维护 720 个路由表项，显然这是非常低效的。

考虑到效率，可以采用三级层次结构的方法，总共 8 个簇，每个簇包含 9 个区域，每个区域 10 个路由器，每个路由器需要 10 个表项记录，8 个表用于同一簇内其他路由器，7 个表用于远程簇，各需要维护 25 个表项。

当然，层次化结构的引入会稍微增加路径的长度。实际经过实验证明，分层路由导致的平均路径长度增长是可控的，并且通常在可接受的范围内。

对于更大规模的网络，单纯的三层路由结构可能不够用。为了适应网络的复杂性和扩展性，需要进一步将区域组织成「簇」，簇组织成「区」，区进一步细分为「群」等。

拥塞控制算法概述

拥塞控制在确保网络能够有效地处理所有流入的流量，涉及到整个网络的各个组件，包括主机和路由器，这是个全局性的问题。下面，我们从预防性和反应性两个方面详细探讨其控制策略：

网络供给

确保网络资源与流量需求匹配。例如，如果某条链路带宽较低且流量大，那么该链路可能会成为拥塞点。在发生严重拥塞时，可以动态增加网络资源，如把备用路由器打开或增加带宽。

流量感知

分析当前网络流量，根据流量模式定制路由，不同时区用户作息不一样，通过改变最短路径权重来更改数据包的路由，使数据包避开常用的高流量路径。此外，也可以考虑将流量分散到多个路径上。

准入控制

当网络面临高负载时，需要考虑限制新的连接或服务请求，以防止进一步的拥塞。如果一个新的连接导致网络变得拥挤，那就应该拒绝这种新连接的建立。

流量限制

在网络接近拥塞状态时，可以向导致问题的数据包源发送反馈信息，要求其减少或调整流量。可以调整时间尺度，如果每次连续到达两个包，路由器就让发送方停止，当路由器空闲 20 微秒时，就让发送方继续。

负载脱落

如果以上方法都无法解决拥塞问题，网络可能需要选择丢弃某些无法传输的数据包。为了确保系统稳定，需要采用有效的策略来确定哪些数据包应被丢弃，以避免整体崩溃。

网络层负责数据包的传输和路由决策，确保数据从源到目的地的有效传递。而路由器作为这一流程的关键节点，负责基于路由表进行数据包的转发和选择最佳路径。

它们之间的紧密协作有效地应对网络拥塞和流量管理挑战，确保整个网络的稳定性和性能。

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内容来源：《计算机网络》

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