网络层位于数据链路层与传输层之间。网络层中包含了许多协议，其中最为重要的协议就是IP协议。网络层提供了IP路由功能。理解IP路由除了要熟悉IP协议的工作机制之外，还必须理解IP编址以及如何合理地使用IP地址来设计网络
上层协议类型
以太网帧中的Type字段值为0x0800，表示该帧的网络层协议为IP协议
在剥掉帧的头部和尾部之前，网络设备需要根据帧头中Type字段确定下一步将帧发送到哪个上层协议进行处理。帧头部Type字段表示该帧需要上送到IP协议进行处理。以下将介绍帧的头部和尾部被剥掉后，IP协议将如何处理帧中的数据
IP报文头部信息用于指导网络设备对报文进行路由和分片。同一个网段内的数据转发通过链路层即可实现，而跨网段的数据转发需要使用网络设备的路由功能。分片是指数据包超过一定长度时，需要被划分成不同的片段使其能够在网络中传输
IP报文头部长度为20到60字节，报文头中的信息可以用来指导网络设备如何将报文从源设备发送到目的设备。其中，版本字段表示当前支持的IP协议版本，当前的版本号为4。DS字段早期用来表示业务类型，现在用于支持QoS中的差分服务模型，实现网络流量优化
Qos指的是服务质量针对各种不同需求，提供不同服务质量的网络服务
源和目的IP地址是分配给主机的逻辑地址，用于在网络层标识报文的发送方和接收方。根据源和目的IP地址可以判断目的端是否与发送端位于同一网段，如果二者不在同一网段，则需要采用路由机制进行跨网段转发
IP地址是分为网络部分和主机部分的，IP地址用来标识网络中的设备，具有IP地址的设备可以在同一网段内或跨网段通信。IP地址包括两部分，第一部分是网络号，表示IP地址所属的网段，第二部分是主机号，用来唯一标识本网段上的某台网络设备
每个网段上都有两个特殊地址不能分配给主机或网络设备。第一个是该网段的网络地址，该IP地址的主机位为全0，表示一个网段。第二个地址是该网段中的广播地址，目的地址为广播地址的报文会被该网段中的所有网络设备接收。广播地址的主机位为全1。除网络地址和广播地址以外的其他IP地址都可以作为网络设备的IP地址
IP地址分类
IPv4地址被划分为A、B、C、D、E五类，每类地址的网络号包含不同的字节数。A类，B类和C类地址为可分配IP地址，每类地址支持的网络数和主机数不同。比如，A类地址可支持126个网络，每个网络支持224 （16,777,216 )个主机地址，另外每个网段中的网络地址和广播地址不能分配给主机。C类地址支持200多万个网络，每个网络支持256个主机地址，其中254个地址可以分配给主机使用
D类地址为组播地址。主机收到以D类地址为目的地址的报文后，且该主机是该组播组成员，就会接收并处理该报文。各类IP地址可以通过第一个字节中的比特位进行区分。如A类地址第一字节的最高位固定为0，B类地址第一字节的高两位固定为10，C类地址第一字节的高三位固定为110，D类地址第一字节的高四位固定为1110，E类地址第一字节的高四位固定为1111
网络通信
源主机必须要知道目的主机的IP地址后才能将数据发送到目的地。源主机向其他目的主机发送报文之前，需要检查目的IP地址和源IP地址是否属于同一个网段。如果是，则报文将被下发到底层协议进行以太网封装处理。如果目的地址和源地址属于不同网段，则主机需要获取下一跳路由器的IP地址，然后将报文下发到底层协议处理
子网掩码
子网掩码用于区分网络部分和主机部分。子网掩码与IP地址的表示方法相同。每个IP地址和子网掩码一起可以用来唯一的标识一个网段中的某台网络设备。子网掩码中的1表示网络位，0表示主机位
默认的子网掩码
每类IP地址有一个缺省子网掩码。A类地址的缺省子网掩码为8位，即第一个字节表示网络位，其他三个字节表示主机位。B类地址的缺省子网掩码为16位，因此B类地址支持更多的网络，但是主机数也相应减少。C类地址的缺省子网掩码为24位，支持的网络最多，同时也限制了单个网络中主机的数量
如果企业网络中希望通过规划多个网段来隔离物理网络上的主机，使用缺省子网掩码就会存在一定的局限性。网络中划分多个网段后，每个网段中的实际主机数量可能很有限，导致很多地址未被使用。如图所示的场景下，如果使用缺省子网掩码的编址方案，则地址使用率很低
采用可变长子网掩码可解决上述问题。缺省子网掩码可以进一步划分，成为变长子网掩码（VLSM）。通过改变子网掩码，可以将网络划分为多个子网。本例中的地址为C类地址，缺省子网掩码为24位。现借用一个主机位作为网络位，借用的主机位变成子网位。一个子网位有两个取值0和1，因此可划分两个子网。该比特位设置为0，则子网号为0，该比特位设置为1，则子网号为128。将剩余的主机位都设置为0，即可得到划分后的子网地址；将剩余的主机位都设置为1，即可得到子网的广播地址。每个子网中支持的主机数为27-2（减去子网地址和广播地址），即126个主机地址
可变长子网掩码缓解了使用缺省子网掩码导致的地址浪费问题，同时也为企业网络提供了更为有效的编址方案。我们可以利用可变长子网掩码来划分多个子网，借用一定数量的主机位作为子网位的同时，剩余的主机位必须保证有足够的IP地址供每个子网上的所有主机使用
网关
网关用来转发来自不同网段之间的数据包
报文转发过程中，首先需要确定转发路径以及通往目的网段的接口，然后将报文封装在以太帧中通过指定的物理接口转发出去。如果目的主机与源主机不在同一网段，报文需要先转发到网关，然后通过网关将报文转发到目的网段
网关是指接收并处理本地网段主机发送的报文并转发到目的网段的设备。为实现此功能，网关必须知道目的网段的IP地址。网关设备上连接本地网段的接口地址即为该网段的网关地址
IP包分片
网络中转发的IP报文的长度可以不同，但如果报文长度超过了数据链路所支持的最大长度，则报文就需要分割成若干个较小的片段才能够在链路上传输。将报文分割成多个片段的过程叫做分片
接收端根据分片报文中的标识符（Identification），标志（Flags)，及片偏移（Fragment Offset）字段对分片报文进行重组。标识符用于识别属于同一个数据包的分片，以区别于同一主机或其他主机发送的其它数据包分片，保证分片被正确的重新组合。标志字段用于判断是否已经收到最后一个分片。最后一个分片的标志字段设置为0，其他分片的标志字段设置为1，目的端在收到标志字段为0的分片后，开始重组报文。片偏移字段表示每个分片在原始报文中的位置。第一个分片的片偏移为0，第二个分片的片偏移表示紧跟第一个分片后的第一个比特的位置。比如，如果首片报文包含1259比特，那么第二分片报文的片偏移字段值就应该为1260
生存时间
报文在网段间转发时，如果网络设备上的路由规划不合理，就可能会出现环路，导致报文在网络中无限循环，无法到达目的端。环路发生后，所有发往这个目的地的报文都会被循环转发，随着这种报文逐渐增多，网络将会发生拥塞
为避免环路导致的网络拥塞，IP报文头中包含一个生存时间TTL（Time To Live）字段。报文每经过一台三层设备，TTL值减1。初始TTL值由源端设备设置。当报文中的TTL降为0时，报文会被丢弃。同时，丢弃报文的设备会根据报文头中的源IP地址向源端发送ICMP错误消息
协议号
目的端的网络层在接收并处理报文以后，需要决定下一步对报文该做如何处理。IP报文头中的协议字段标识了将会继续处理报文的协议。与以太帧头中的Type字段类似，协议字段也是一个十六进制数。该字段可以标识网络层协议，如ICMP（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议），也可以标识上层协议，如TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议，对应值0x06）、UDP（User Datagram Protocol，用户数据包协议，对应值0x11）
