网络层中一个重要的协议：IP协议
IP协议
作用：有能力将数据从A主机送往B主机。
理解三个基本概念：
主机：配有IP地址，但是不进行路由控制设备。
路由器：配有IP地址，又能进行路由控制。
节点：主机和路由器的统称。
IP协议格式
| 字段 | 解释 |
|---|---|
| 4位版本号 | 指定IP协议的版本，若是IPV4，该字段为4. |
| 4位首部长度 | 单位为4字节，TCP首部长度不包括选项，是20个字节（20/4=5），即0101。选项最大字节长度为40，（60/4=15），即1111。 |
| 8位服务类型 | 3位优先权字段，4位TOS字段，1位保留字段（置为0）。4位TOS（最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本），只能选其一。ssh/telnet选最小延时，ftp选最大吞吐量。 |
| 16位总长度 | IP数据报整体占多少个字节。 |
| 16位标识 | 区分是否分片，若IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的标识是相同的。 |
| 3位标识 | 第一位保留，第二位表示是否分片（1表示禁止分片，如果报文长度大于MTU，IP模块就会丢弃报文）。第三位表示分片结束标记（最后一个分片置1，其他为0）。 |
| 13片偏移 | 是分片相对于原始IP报文开始处的偏移，为了分片后的拼接。 |
| 8位生存时间（TTL） | 数据到达目的地的最大报文跳数，一般为64.每经过一个路由器，TTL减一，直到为0还未到达，就丢弃。主要为了防止路由循环。 |
| 8位协议 | 表示上层协议的类型 |
| 16位首部校验和 | 使用CRC校验，鉴别头部是否损坏。 |
| 32位源地址和32位目标地址 | 表示发送端和接收端 |
| 选项字段 | 不定长。 |
网段划分
网络中两台主机进行通信，有IP地址应该可以找到对应的主机，那么，为什么会有网段划分呢？
我们举个例子，在学校找一位同学，如果直接找，会很不容易，但是如果先找到这个同学所在的学院，然后在找这位同学就相对来说比较方便了。
同理，网络号确认一个区域，在两个区域中找到目的主机，使得在网络中查找更加高效。
IP地址分为两个部分，网络号和主机号。
* 网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识。
* 主机号：同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。
* 不同的子网就是把网络号相同的主机放在一起。
* 如果在子网中增加一台主机，这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号和该子网中的其他主机重复。
* 主机号为1的一般都为路由器接口。
所以，合理设置网络号的主机号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都不相同。但是，程序员手动管理子网的IP，是一个相当麻烦的事情。出现一种DHCP技术，能够自动给子网内新增主机节点分配IP地址，避免了手动管理IP的不方便。
IP地址分类
IP地址可分为以下五类。
| 类别 | 地址范围 |
|---|---|
| A类 | 0.0.0.0到127.255.255.255 |
| B类 | 128.0.0.0到191.255.255.255 |
| C类 | 192.0.0.0到223.255.255.255 |
| D类 | 224.0.0.0到239.255.255.255 |
| E类 | 240.0.0.0到247.255.255.255 |
子网划分
IP地址是以网络号和主机号标识网络上的主机的，只有在同一网络号下的主机才可以“直接”互通，不同网络号的主机要通过网关互通。同一个网络下也可以分为多个子网。就产生了子网掩码，子网掩码的作用就是用来判断任意两个IP地址是否同属于同一子网，只有在同一子网才能“直接”互通。
子网掩码
* 用来区分网络号和主机号
* 是一个32位的正整数，通常用一串"0"结尾
* 将IP地址和子网掩码进行按位与操作，得到的就是网络号
* 网络号和主机号的划分与地址类型无关。
那么如何确定子网掩码呢?
将一个网络划分为多个子网，网络号将要占用原来的主机位。例：C类地址，21位标识网络号，8位标识主机号，要将其划分为8个子网，则需占用3位原来的主机标识位。此时，网络号由之前的21位变为24位，子网掩码为：255.255.255.224/27
特殊的IP地址
* IP地址全0，成为了网络号，代表这个局域网。
* IP地址全1，成为了广播地址，用于给同一链路中相互连接的所有主机发送数据包。
* 127.*用于本地还回测试，通常是127.0.0.1
IP地址其实是有数量限制的，我们只有那几位地址，最多只有2^32个IP地址，大概是43亿左右。那么网络中可以接入43亿台主机吗？
实际上，由于一些特殊的IP地址的存在，比如说路由器，也占用IP，数量就不足43亿。另外，IP地址并非是按照主机台数配置的，而是每个网卡都需要配置一个或多个IP地址。
子网划分在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题，提高了利用率，减少了浪费，但IP地址对的绝对上限并没有增加，仍然不是够用，会有三种方式来解决IP地址不够用的问题？
* 动态分配IP地址：只给接入网络的设备分配IP地址，因此同一个MAC地址的设备每次接入网络中得到的IP地址不一定是相同的。
* NAT技术
* IPV6：IPV6用16字节128位来表示一个IP地址。
私有IP地址和公网IP地址
（1）私有IP地址
子网中的IP为私有IP。
* 10.*，前8位是网络号，共2^24=16,777,216个地址。
* 172.16.到172.31.，前12位是网络号，共2^20=1,048,576个地址。
* 192.168.*，前16位是网络号，共2^16=65535个地址
（2）公网IP地址
除了私有IP地址，其余的都为公网IP。
通过上图，我们知道：
* 一个路由器可以配置两个IP地址，一个WAN口IP，一个LAN口IP（子网IP）。
* 不同的路由器，子网IP是相同的（通常为192.168.1.1）。
* 子网内的主机IP地址不能重复，因为一个子网中的主机可以相互访问。但是，子网之间的IP地址可以重复，所以，不同子网中的两个主机不可以进行访问。但是一个公网，一个子网可以进行访问。
* 子网中的主机需要和外网进行通信时，路由器将IP首部中的IP地址进行替换，替换成WAN口IP，逐级替换，最终数据包中的IP地址成为一个公网IP，这种技术被称为NAT。
路由
路由其实字面意思，就是一跳一跳的“问路”的过程。
IP数据包的传输过程：
当IP数据包，到达路由器时，路由器先会查看目的IP，路由器决定这个数据包能直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器，依次反复，一直到达目标IP。
我们提到节点需要决定将数据包发送的下一个位置，那么是怎么知道的下一个位置是哪里？
因为每个节点都有一张路由表，如果IP命中了路由表，就直接转发。
Linux下查看路由表的命令：route
| 字段名称 | 代表含义 |
|---|---|
| Destination | 目的网络地址 |
| Gateway | 下一跳地址 |
| Gemask | 子网掩码 |
| Flags | 标志，U表示此条目有效，有G表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址，没有G表示不需路由转发。 |
说明：路由表的最后一行，主要下一跳地址和发送接口两部分组成，当目的地址与路由表其他行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。
路由转发过程：拿到 一个主机的IP地址，先和第一行的子网掩码进行与运算，与第一行的目的网络地址不符，再和下一行的子网掩码做与运算，直到最后一行的前一行，要是还未找到目的网络，就将该IP地址发给路由器，然后进行转发。