网络层服务：转发、路由、数据平面、控制平面与SDN

网络层的作用

在网络中，每一台主机和路由器都有网络层。网络层提供了在发送主机与接收主机之间传送段的服务，在发送端将段封装到数据报中，在接收端将段上交给传输层实体。

传输层的段只在两台端系统之间“端到端”地处理，而网络层的数据报要经过沿途的每一台路由器。路由器不需要应用层和传输层，它只关心数据报首部，并据此把数据报送往下一跳。

数据平面与控制平面

网络层可以分解为数据平面（data plane）和控制平面（control plane）这两个互相作用的部分。数据平面指每台路由器的功能，决定从路由器的输入端口如何转发（forwarding）到输出端口。控制平面指的是数据包如何在路由器之间路由（routing），决定了数据报从源到目标主机之间的端到端路径。

可以用一次自驾旅行来理解二者的区别：在每个路口选择驶入哪条出口车道，相当于转发；出发前规划从起点到终点经过哪些城市和道路，相当于路由选择。转发是单台路由器内部的局部动作，通常在纳秒级完成，一般由硬件实现；路由选择涉及全网，通常在秒级完成，一般由软件实现。

每台路由器都有一个转发表（forwarding table），路由器使用分组首部的字段值在转发表中索引，指出该分组将被转发的输出端口。

传统路由选择与SDN

配置路由器转发表的传统方法是，根据路由器中的路由选择算法与其它路由器中的路由选择算法通信，从而计算出它的转发表的值，这种通信根据路由选择协议交换包含路由选择信息的路由选择报文。

另一种方法称为软件定义网络SDN（Software-Defined Networking），通过由ISP或第三方管理的远程控制器计算并分发转发表以供每台路由器使用。路由器只执行转发，没有选择功能。因为计算转发表并与路由器交互的控制器是用软件实现的，故得其名。

网络层的服务模型

因特网的网络层只提供尽力而为（best-effort）服务：它会尽力把数据报交付到目的主机，但不保证一定交付，不保证按序交付，也不保证带宽和端到端时延。可靠传输、按序交付等功能由上层协议（例如TCP）在端系统中实现。这种简单的服务模型让路由器保持简单，也让因特网能够连接各种不同类型的链路。