网络层，说简单点，就是在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。
我们来了解一下网络层中一个重要的协议–IP协议。
IP协议是TCP/IP协议簇中的核心协议，也是TCP/IP的载体。所有的TCP，UDP，ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输。
IP提供不可靠的，无连接的数据传送服务。
（1）不可靠指它不能保证IP数据报能成功到达目的地。
IP仅提供最好的传输服务。当发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送ICMP消息给信源。任何要求的可靠性必须由上层来提供。
（2）无连接指IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。
每个数据报的处理是相互独立的。IP数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是A，然后是B）每个数据报都是独立的进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。
上图中：
主机：是配有IP地址, 但是不进行路由控制的设备；
路由器: 即配有IP地址, 又能进行路由控制；
节点: 主机和路由器的统称；
解析：
| 字段 | 解释 |
|---|---|
| 4位版本号(version) | 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说，就是4 |
| 4位头部长度(header length) | IP头部的长度是多少个32bit, 也就是 length * 4 的字节数. 4bit表示最大的数字是15, 因此IP头部最大长度是60字节 |
| 8位服务类型(Type Of Service) | 3位优先权字段(已经弃用), 4位TOS字段, 和1位保留字段(必须置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这样的应用程序, 最小延时比较重要; 对于ftp这样的程序, 最大吞吐量比较重要 |
| 16位总长度(total length) | IP数据报整体占多少个字节 |
| 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是相同的 |
| 3位标志字段 | 第一位保留，第二位置为1表示禁止分片, 这时候如果报文长度超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, 最后一个分片置为1, 其他是0 |
| 13位分片偏移(framegament offset) | 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 |
| 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 |
| 8位协议 | 表示上层协议的类型 |
| 16位头部校验和 | 使用CRC进行校验, 来鉴别头部是否损坏 |
| 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, 最多40字节 |
为什么要进行网段划分呢？
我们寻找某台主机时，在同一个网段的主机网络号都是相同的，我们可以根据网络号确定一个区域，再通过主机号寻找目的主机。因此,我们需要知道：
所以，通过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，手动管理子网内的IP，是一个相当麻烦的事情。
因此出现了一种叫做DHCP的技术，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。且一般的路由器都带有DHCP功能. 因此路由器也可以看做一个DHCP服务器。
所有IP 地址可以分为五类，如下：
| 分类 | 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 |
但是随着Internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来，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类却浪费了大量地址。
针对这种情况提出了新的划分方案, 称为CIDR(Classless Interdomain Routing)
我们都知道，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。
为了使同一个网络下有多个子网，就产生了子网掩码。
了解一下这个新概念：
子网掩码
那么如何确定子网掩码呢?
将一个网络划分为多个子网，网络号就要占用原来的主机位。
例如：
C类地址，21位标识网络号，8位标识主机号，要将其划分为4个子网，则需占用2位原来的主机标识位。
此时，网络号由之前的21位变为23位，子网掩码为：255.255.255.224
如下图：
那么IP地址的数量没有限制吗？
我们知道，IP（IPV4）地址是一个四字节32位的正整数，那么一共只有2的32次方个IP地址，大概是43亿左右，而 TCP/IP协议规定, 每个主机都需要有一个IP地址，
那也就是说网络中最多只可以接入43亿主机吗？
实际上，由于一些特殊的IP地址的存在，数量就不足43亿了。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。
上文讲的子网划分，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地址的绝对上限并没有增加，仍然不够用，会有三种方式来解决IP地址不够用的问题：
1. 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
2. NAT技术
3. IPv6: 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。
注意：IPv6并不是IPv4的简单升级版. 这是互不相干的两个协议
1、私有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，对与组建局域网的私有IP地址有如下规则：
（1）10.*，前8位是网络号,共16,777,216个地址
（2）172.16. 到 172.31.，前12位是网络号,共1,048,576个地址
（3）192.168.*,前16位是网络号,共65,536个地址
2、公网IP
如1中，包含在范围中的, 都成为私有IP, 其余的就称为全局IP(或公网IP)。
观察下图：
可以知道：
（1）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).
（2）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.
（3）不同的路由器, 子网IP其实都是一样的(通常都是192.168.1.1)
（4）子网内的主机IP地址不能重复，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。
（5）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（Network Address Translation，网络地址转换)。
路由，简单来说，就是在复杂的网络结构中, 一跳一跳找出一条通往终点的路线。
所谓 “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。
IP数据包的传输过程
（1）当IP数据包, 到达路由器时, 路由器会先查看目的IP;
（2）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;
（3）依次反复, 一直到达目标IP地址;
那么如何知道当前这个数据包该发送到哪里呢?
这就依靠每个节点内部维护一个路由表，如果目的IP命中了路由表，就直接转发。
我们可以用命令route 查看路由表：
观察上图：
我的主机有一个网络接口,连到192.168.1.0/24网络；
注意：路由表中的最后一行,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
分析一下上图各字段的含义：
| 字段 | 含义 |
|---|---|
| Destination | 目的网络地址 |
| Genmask | ⼦⽹掩码 |
| Gateway | 下⼀一跳地址 |
| Iface | 发送接⼝ |
| Flags | 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路由器的地址,没有G标志表示目的网络地址是与本机接⼝直接相连的网络,不必经路由器转发 |
路由转发过程：
（1）拿到将要发送数据包的目的地址
（2）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，若匹配，因为是直接相连的网络，直接发到目的主机,不需要经路由器转发
（3）若直到最后一行之前，发现都不匹配，按缺省路由条目，从eth0接口将该IP地址发给路由器，该路由器的路由表决定下一跳的地址。
