网络层
网络层IP协议相关
IP协议
虚拟互连网络
当A需要经过多个设备和网络向B传输数据时，可以将中间经过的所有看成一个虚拟互连网络，不用关心中间的细节，只实现端到端的传输。
实际的计算机网络是错综复杂的，物理设备通过使用IP协议，屏蔽了物理网络之间的差异；当网络中的主机使用IP协议连接时，则无需关注网络细节。
IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互连的网络，IP协议使得网络层可以屏蔽底层细节而专注网络层的数据转发，IP协议解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题
IP协议
MAC地址与IP地址的不同：
MAC地址是唯一的不可改变的，每台网络设备都有属于自己的唯一的MAC地址。
IP地址是可改变的，受网络环境影响，连接不同网络是不同的IP地址。
IP地址长度为32位，常分成4个8位；
IP地址常使用点分十进制来表示(0~ 255.0~ 255.0~ 255.0~255)
IP数据报与数据帧的结构：
IP首部的格式：
IP首部的前5行是必须的，每行32个比特位，即4个字节，则IP首部至少有20个字节的长度。
如果IP数据的总长度大于MTU（数据链路层的传输单元），那么数据链路层会将IP协议进行分片，将较长的IP数据报分成多个帧传输。
版本：占4位，指的是IP协议的版本，通信双方的版本必须一致，当前主流版本是4，即IPv4，也有IPv6
首部位长度：占4位，最大数值为15，表示的是IP首部长度，单位是“32位字”（4个字节），也即是IP首部最大长度为60字节
总长度：占16位，最大数值为65535，表示的是IP数据报总长度（IP首部+IP数据）
TTL：占8位，表明IP数据报文在网络中的寿命，每经过一个设备，TTL减1，当TTL=0时，网络设备必须丢弃该报文。作用：如果找不到目标设备，避免无限制传输。
协议：占8位，表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的（如：TCP、UDP等）
首部校验和：占16位，校验IP首部是否有出错
IP协议的转发流程
路由表：计算机或者路由器都拥有路由表
只从网络层看待从计算机A到计算机C的数据传输过程：
每个设备都查询的是自己的本地路由表
从网络层和网络接口层看待从计算机A到计算机C的数据传输过程：
A发出目的地为C的IP数据报，查询路由表发现下一跳为E
A将IP数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址是E
数据链路层填充源MAC地址A和目的MAC地址E
数据链路层通过物理层将数据发送给E路由表IP协议的转发流程
E的数据链路层接收到数据帧，把帧数据交给网络层
E查询路由表，发现下一跳为F
E把数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址为F
E的数据链路层封装数据帧并发送
F的数据链路层接收到数据帧，把帧数据交给网络层
F查询路由表，发现下一跳为C
F把数据报交给数据链路层，并告知目的MAC地址为C
F的数据链路层封装数据帧并发送
我们发现：
1、数据帧每一跳的MAC地址都在变化
2、IP数据报每一跳的IP地址始终不变
子网划分
特殊的主机号
主机号全0表示当前网络段，不可分配为特定主机
主机号为全1表示广播地址，向当前网络段所有主机发消息
特殊的网络号
A类地址网络段全0(00000000)表示特殊网络
A类地址网络段后7位全1(01111111:127)表示回环地址
B类地址网络段(10000000.00000000:128.0)是不可使用的
C类地址网络段(192.0.0)是不可使用的
127.0.0.1，通常被称为本地回环地址(Loopback Address)，不属于任何一个有类别地址类。它代表设备的本地虚拟接口，所以默认被看作是永远不会宕掉的接口。在Windows操作系统中也有相似的定义，所以通常在安装网卡前就可以ping通这个本地回环地址。一般都会用来检查本地网络协议、基本数据接口等是否正常的。
网络地址转换NAT技术
网络地址转换NAT(Network Address Translation)
NAT技术用于多个主机通过一个公有IP访问互联网的私有网络中。
NAT减缓了IP地址的消耗，但是增加了网络通信的复杂度。
网络层其他协议
ARP协议与RARP协议
ARP(Address Resolution Protocol)地址解析协议。
RARP(Reverse Address Resolution Protocol)逆地址解析协议。
作用：将网络层IP32位地址转换成数据链路层MAC48位地址，以此获得IP协议转发流程中下一跳的目的MAC地址。先查询ARP缓存表，才知道目的MAC地址。
协调完成网络层和数据链路层的工作。
ARP缓存表的结构：
当ARP缓存表没有缓存IP地址和MAC地址的映射关系时，也是通过广播的方法获得。
ARP缓存表是ARP协议和RARP协议运行的关键。
ARP缓存表缓存了IP地址到硬件地址之间的映射关系。
ARP缓存表中的记录并不是永久有效的，有一定的期限。
ARP协议直接封装在数据帧里，里面使用到了IP地址，所以属于网络层。
命令行查看ARP缓存表命令：
arp -a
RARP/ARP协议是TCP/IP协议栈里面基础的协议
ARP和RARP的操作对程序员是透明的
ICMP协议
ICMP协议详解
网际控制报文协议（Internet Control Message Protocol）
ICMP协议可以报告错误信息或者异常情况。
IP协议：传输数据。
ARP协议：32位IP地址转换为48位MAC地址。
RARP协议：48位MAC地址转换为32位IP地址。
ICMP协议：封装在IP数据报里，辅助IP协议传输数据。
ICMP协议应用
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Ping应用
Ping回环地址127.0.0.1
Ping网关地址
Ping远端地址 -
Traceroute应用
Traceroute可以探测IP数据报在网络中走过的路径