网络层主要是IP协议，网络层解决的主要问题是在网络环境中确定一个合适的路径，即将数据从A主机跨网络经过路径选择送往B主机。TCP可靠的将数据从A主机送到B主机。
首先我们要清楚几个概念：
- 主机：配有IP地址，但是不进行路由控制。
- 路由器：既有IP地址，又能进行路由控制。
- 节点：主机和路由器的统称。
IP协议头部格式
4位版本号:指定IP协议的版本,对于IPv4来说就是4.
4位首部长度:占4位,能够表示最大的值为15，每个值的单位为4字节，如果可变部分长度为0，IP首部最小为20字节。如果可变部分长度不为0，则IP首部长度最大为60字节.
8位服务类型:3位优先权字段(已经弃用),4位TOS字段和一位保留字段(必须置为0).4位TOS分别表示:最小延时,最大吞吐量,最高可靠性,最小成本.这四者相互冲突只能选择一个. 对于 ssh/telnet这样的应用程序, 小延时比较重要; 对于ftp这样的程序, 大吞吐量比较重要.
16位总长度:表示IP数据报整体占的字节数.
16位标识(id): 唯一的标识主机发送的报文. 如果IP报文在数据链路层被分片了, 那么每一个片里面的这个 id都是相同的.。
3位标志字段:第一位保留(保留的意思是现在不用, 但是还没想好说不定以后要用到). 第二位置为1表示禁 止分片, 这时候如果报文长度超过MTU, IP模块就会丢弃报文. 第三位表示"更多分片", 如果分片了的话, 后一个分片置为1, 其他是0. 类似于一个结束标记.。
13位片偏移:是分片相对于原始IP报文开始处的偏移. 其实就是在表示当前分片 在原报文中处在哪个位置. 实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的。 因此, 除了后一个报文之外, 其他报 文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了)。
8位生存时间(Time To Live,TTL):数据报到达目的地的最大报文跳数，一般为64，每经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没有到达就丢弃。这个字段主要用来防止出现路由循环。
16位头部校验和：使用CRC进行校验，鉴别头部是否损坏。
32位源IP地址和32位目的IP地址：表示发送端和接收端。
选项字段：不定长，最多40字节。
网段划分
IP地址分为两部分：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，但必须有不同的主机号
- 不同的子网把网络号相同的主机放到一起。
- 如果在子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号要一致，但主机号必须不能和子网中其他的主机号重复。
- 通过合理的设置主机号和网络号，就能保证相互连接的网络中，每台主机的IP地址都不相同。
我们知道，手动管理子网内的IP是一件相当麻烦的事情。所以，有一种技术叫做DHCP，能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址，避免了手动管理IP的不便。一般的路由器也带有DHCP功能，因此，路由器也可以看做一个DHCP服务器。
以前提出的一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP地址分为5类，如图：
每类划分的范围：
- 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
随着Internet的飞速发展，这种划分方案有很大的局限性，大多数组织都申请B类网络地址，导致B类地址很快就分配完了，而A类地址却大量的被浪费了。
- 例如, 申请了一个B类地址, 理论上一个子网内能允许6万5千多个主机. A类地址的子网内的主机数更多。
- 然而实际网络架设中, 不会存在一个子网内有这么多的情况. 因此大量的IP地址都被浪费掉了。
针对这种情况提出了新的方案，称为CIDR（Classless Inter Domain Routing）：
- 引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号;
- 子网掩码也是一个32位的正整数. 通常用一串 "0" 来结尾;
- 将IP地址和子网掩码进行 "按位与" 操作, 得到的结果就是网络号;
- 网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关;
例如：
IP地址为140.252.20.68，知道它的子网掩码就可以通过IP地址和子网掩码”按位与“算出网络号140.152.20.0。主机号从全0到全1就是子网的地址范围。
IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法，例如：140.252.20.68/24，表示IP地址为140.252.20.68，子网掩码的高24位全是1，即255.255.255.0
特殊的IP地址
- 将IP地址中的主机地址全部设为0，就成为网络号，代表这个局域网
- 将IP地址中的主机地址全部设为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包。
- 127.*的IP地址用于本机环回（loop back）测试，通常是127.0.0.1
IP地址的数量限制
我们平常用的IP地址都是IPv4，它是一个4字节32位的正整数，一共有2的32次方个IP地址，大概42亿9千万左右，而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。这意味着，一共只有42亿9千万左右台主机能接入网络吗？实际上，由于一些特殊的IP地址存在，数量远不足42亿9千万左右，另外IP地址并不是按照主机台数来配置的，而是每一个网卡都需要配置一个或多个IP地址。
解决IP地址不够用的三种方式：
- 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, 每次接入互联网中, 得到 的IP地址不一定是相同的;
- NAT技术(详细介绍见后面);
- IPv6: IPv6并不是IPv4的简单升级版. 这是互不相干的两个协议, 彼此并不兼容; IPv6用16字节128位来表 示一个IP地址; 但是目前IPv6还没有普及;
私有IP地址和公网IP地址
如果一个组织内部组建局域网,IP地址只用于局域网内的通信,而不直接连到Internet上,理论上 使用任意的IP地址都 可以,但是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址 。
- 10.*,前8位是网络号,共16,777,216个地址
- 172.16.到172.31.,前12位是网络号,共1,048,576个地址
- 192.168.*,前16位是网络号,共65,536个地址 包含在这个范围中的, 都成为私有IP, 其余的则称为全局IP(或公网IP)
- 一个路由器可以配置两个IP地址, 一个是WAN口IP, 一个是LAN口IP(子网IP).
- 路由器LAN口连接的主机, 都从属于当前这个路由器的子网中.
- 不同的路由器, 子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1). 子网内的主机IP地址不能重复. 但是子网之间的IP地址就可以重复了.
- 每一个家用路由器, 其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点. 这样的运营商路由器可能会有很多级, 外层的运营商路由器, WAN口IP就是一个公网IP了.
- 子网内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), 这样逐级 替换, 终数据包中的IP地址成为一个公网IP. 这种技术称为NAT(Network Address Translation，网络地 址转换).
- 如果希望我们自己实现的服务器程序, 能够在公网上被访问到, 就需要把程序部署在一台具有外网IP的服 务器上.
路由
路由的工作就是在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线。
路由的过程就是这样一跳一跳”问路“的过程。就像唐僧西天取经问路一样。所谓的”一跳“就是数据链路层中的一个区间，具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间。（数据链路层实现某一个区间一跳内的通信，就像唐僧每到达一个地方，就要询问此处是何地，我要到西天，下一站要到哪里。而IP实现直至最终目标地址的通信（点对点），同样的例子：唐僧说，我是从东土大唐而来，去往西天拜佛求经，起始地点是东土大唐，终点是西天）
IP数据包的传输过程也和唐僧问路一样：
- 当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的IP;
- 路由器决定这个数据包是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地址;
路由表可以使用route命令查看，如果目的IP命中了路由表, 就直接转发即可; 路由表中的后一行,主要由下一跳地址和发送接口两部分组成,当目的地址与路由表中其它行都不匹配 时,就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。
- 这台主机有两个网络接口，一个网络接口连到192.168.10.0/24网络，另一个网络接口连到192，168.56.0/24网络。
- 路由表的Destination是目的网络地址，Genmask是子网掩码，Getway是下一跳地址，Iface是发送接口，Flags中的U标志表示此条目有效（可以禁用某些条目），G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址，没有G标志的条目表示目的网路地址是与本机接口直接相连的网络，不必经过路由器转发。
转发过程：
如果要发送的数据包的目的地址是192.168.56.3
- 和第一行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0，与第一行的目的网络地址不符。
- 再跟第二行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0，恰好是第二行的目的网络地址，因此从eth1接口发送出去。
- 由于192.168.56.0/24正是与eth1接口直接相连的网络，所以可以直接发送到目的主机，不需要经路由器转发。
如果要发送的数据包的目的地址是202.10.1.2
- 依次和路由表前几项进行对比，发现都不匹配。
- 按照缺省路由条目，从eth0接口发送出去，发往192.168.10.1路由器。
- 由192.168.10.1路由器根据它的路由表再决定下一跳的地址。
路由表生成算法
路由表可以通过由网络管理员手动维护（静态路由），也可以通过一些算法自动生成（动态路由），比如：距离向量算法、LS算法、Dijkstra算法。（上网查查...）
