目录
一、IP协议
二、地址管理
IP地址
概念
作用
格式
网段划分
三、路由选择
网络层要做的事情主要是两个方面：
- 地址管理：制定一系列的规则，通过地址，描述出网络上一个设备的位置。
- 路由选择：网络环境比较复杂，从一个节点到另一个节点之间存在很多不同的路径，这就需要通过这种方式，筛选、规划出更合适的路径进行数据传输。
一、IP协议
协议格式如下：
- 4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4来说就是4,二进制表示是0100；对于IPv6来说就是6，二进制表示是0110。
- 4位头部长度：这个字段指示IP数据报头部的长度。以4字节为单位表示，4位二进制表示最大的数为15，因此IP头部最大长度是60字节（4*15）；而最小长度为20字节（不加选项部分），其中选项部分为40字节。
- 8位服务类型：能够让IP协议切换形态。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/telent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：该字段表示IP数据报整体占多少个字节。
- 16位标识：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，第二位表示是否允许拆包，第三位表示是否是最后一个包。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。
- 13位分片偏移：描述了当前每个小的数据包（分片的相对位置）。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，除了最后一个报文之外，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：数据报达到目的地的最大报文跳数，描述了这个IP数据报在网络上还能继续存活多久。一般是64.每次经过一个路由，TTL=1，一直减到0还没达到就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。
- 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IP和接收端IP。
- 选项字段：不定长，位于头部，最多40字节。
二、地址管理
IP地址
概念
IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，又译为网际协议地址，每个网络设备，在加入网络时都会分配一个IP地址，以便他们在网络进行通信。
作用
IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。
格式
IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节），如：
01100100.00000100.00000101.00000110。
通常用“点分十进制”的方式来表示，即a.b.c.d的形式（a,b,c,d都是0~255之间的十进制整数）。如：100.4.5.6。
IP协议有两个版本，IPv4和IPv6。
IPv4数量为2^32，大约43亿左右，而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。对于全世界计算机来说，这个数量是不够的，所有后来推出了IPv6（长度为128位，是IPv4的4倍），但目前IPv4还广泛使用，且可以使用其他技术来解决IP地址不足的问题，所以IPv6也就没有普及。
以前IPv4是远远够用了，但信息技术的发展，计算机的普及，IPv4是远远不够全世界的人分配的，所以，解决IPv4地址不够用的问题，有三种方案：
1.动态分配IP
这个方案是把IP地址临时的分配给网络中需要使用IP地址的设备，可是治标不治本，提高了IP地址的利用率，并没有增加IP地址的数目。（虽然这是一个过渡的方案，这个方案目前仍然是广泛存在的）。
2.NAT技术（网络地址转换）
NAT技术实际上工作在网络层。NAT的主要作用是司改IP数据包的源地址或目标地址，以便让更多个内部网络设备通过一个公共的IP地址与外部网络网络通信（本质上是让一个IP代表一批设备）。
补充：
首先，IP地址分为两大类
1）内网IP（局域网IP）
如果一个IP地址，是以10.*或者172.16.*-172.31.*或者192.168.*，那么该IP地址就是内网IP；
在同一个局域网内部，内网IP之间不能够重复；
在不同的局域网中，内网IP之间可以重复。
2）外网IP（广域网）
除了上面的内网IP，剩下的都是外网IP了，外网IP是不能够重复的。
而在这种情况下，通常都是一个小区/一个学校/一个公司，构成一个大的局域网，这个局域网中可能够成千上万的设备，这样的一个局域网，就共用这一个外网IP即可。
NAT具体工作机制：
上面这种是简单的情况下，如果局域网内有多个主机同时访问同一网站的服.务器，此时当服务器返回响应的时候，经过路由器，应该交给哪个主机呢？ 回答：用端口号区分。
端口号可以用来区分同一个主机的不同进程，也可以区分不同主机的不同进程。当服务器返回响应的时候，在同一主机一样的情况下，通过替换后的映射，目的端口是10001的这个就需要把IP：123.139.168.15转换为192.168.0.100，同理目的端口为8888的IP就能转换为对应的IP。
那如果不同主机IP下，他们的端口号都相同怎么办呢？
如果端口号都相同的情况下，路由器的NAT机制需要把源端口都替换掉，同时记录替换前与替换后的映射关系，以便返回响应能够正确找到目标IP。
当前的网络环境就是以NAT+动态分配的方式来解决IP地址不够用的问题的，当然，也正是因为这个机制，局域网内部设备能够主动访问外网设备，外网设备无法主动访问局域网内部设备。
3.使用IPv6（根本上解决）
IPv6使用16个字节即128位来表示IP地址，IPv6从根本上解决了IPv4不够用的问题，IPv6的数目为2^128，这是一个天文数字，远远要比IPv4要大得多的。
但是实际上IPv6的普及程度其实是比较低的，其最大的问题是与IPv4不兼容，想要能够支持IPv6就得换设备。而在我国，IPv6的普及也是相当高的了，一般来说，IPv6手动设置才能开启的。
网段划分
网段划分是指在网络中将一个大范围的IP地址空间分割成多个较小的部分，以便更好地管理和分配网络资源。
把一个IP地址分成两部分：网络号（标识了一个局域网）+主机号（标识了一个局域网的设备）
比如下面的例子：
由图中可以看出，同一个局域网中的网络设备，网络号必须相同，主机号必须不同；而对比这两个相邻的局域网，网络号是不能相同的。
当然一个IP地址，哪个部分是网络号，哪个部分是主机号那是不确定的，一般都是通过子网掩码来确定网络号的，具体内容不再详细赘述，简单介绍。
三、路由选择
路由选择就是描述了IP协议（IP数据报）转发的过程。
对于以上经过的设备：
- 主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备。
- 路由器：既配有IP地址，又能进行路由控制。
- 节点：主机和路由器的统称。
对于网络数据传输，不是想象中的那样，数据直接从源主机到达目的主机，而是类似在地图中从A到B的过程：A->1->2->3->B。
一个网络层的数据报，每次到达一个路由器，也会进行问路的过程，每个路由器内部会有一个路由表，根据数据报中的目的IP，查路由表，如果查到了，就直接按照路由表给定的方向（网络转发接口）继续转发，直到到达目的主机。
