网络层的作用
网络层的主要作用是实现终端节点之间的通信。网络层负责解析目标计算机的IP地址，然后通过路由寻址，选择一条最合适的路由(从源计算机到目标计算机的路径)，将数据传递到目标计算机。打个比方，网络层好像快递公司，选择合适的路径，然后将快递发送出去。网络层的主要协议有IP协议和ICMP协议。
IP协议
IP协议是TCP/IP协议族的动力，它为上层提供无状态、无连接、不可靠的服务。
无状态：指IP数据报的发送、传输和接收相互独立，没有上下文信息。
无连接：通信双方在通信之前不需要建立连接就可以直接发送数据，通信双方不长久地维持对方信息，无连接的优点是简单，高效。
不可靠：不保证IP数据报一定能准确地到达接收端，它只是承诺尽最大的努力，但不做最后收到与否的验证。
IP协议的主要内容
- IP地址
- IP数据报
- IP寻址和路由控制
1. IP地址
在计算机通信中，为了识别通信双方，需要有一种类似于地址的识别码进行标识。在网络层，IP地址就是这种识别码。在互连网通信中，必须为每台设备都配备正确的IP地址，否则无法实现正常的通信。
IP(IPV4)地址用32位正整数表示，每8位用"."隔开，再将每组数转换为十进制数，例如，有IP地址
10101100.00000000.00000001.00000001
对应的十进制表示为
172.0.0.1
一台计算机IP地址的数目是由计算机网卡的数量决定的，一块网卡可以配一个以上的IP地址。
网络地址和主机地址
IP地址由网络地址和主机地址两部分组成，网络地址唯一标识互连网中的一个网段，主机地址唯一标识网段内的一台计算机。通过网络地址和主机地址，可以保证IP地址具有唯一性。区分网络地址和主机地址的方式有IP地址分类和子网掩码两种。
IP地址分类
IP地址可分为五类，其中A,B,C类为主要地址，D类多播地址，E类为保留地址。
- A类：第一个字节为网络地址，后三个字节为主机地址，网络地址的最高位为“0”，网络号取值位于1~126之间，一般用于大型网络。
- B类：前两个字节为网络地址，后两个字节为主机地址，网络地址的前两位为“10”，网络号取值位于128~191之间，一般用于中型网络。
- C类：前三个字节为网络地址，最后一个字节为主机地址，网络地址的前三位为“110”，网络号取值位于192~223之间，一般用于小型网络。
- D类：多播地址，IP地址前四位为1110，网络号取值位于224~239间。
- E类：保留地址，IP地址前五位为11110，网络号取取值位于240~247之间。
子网掩码
另一种区分网络地址和主机地址的手段是子网掩码。子网掩码是IP地址的标识，所以它不能单独存在，必须配合IP地址存在。子网掩码是一个32位的二进制数，它将对应的IP地址的网络地址位置为1，主机地址位置为0。例如上面的IP地址172.0.0.1，假设它前24位为网络地址，后8位为主机地址，则它的子网掩码为：
1111.1111.1111.0000
简便的记法是在IP地址后面加上网络地址的长度。
172.0.0.1 /24 （24代表IP地址的0~23位属于网络地址，其他属于主机地址）
私有IP和全局IP
在A,B,C三类主要的IP地址中，分别保留了一部分IP地址作为私有IP地址。
A类：10.0.0.0~10.255.255.255
B类：172.16.0.0~172.31.255.255
C类：192.168.0.0~192.168.255.255
包含在这个范围内的IP地址为私有IP，除此之外的IP地址为全局IP地址。全局IP地址是全网唯一的，而在不同的私有网络中，私有IP可以重复。私有IP一般用在局域网中，私网IP不能直接连接互连网，想要连接的话必须要用NAT技术将私网IP转化为公网IP才能正常上网。
2. IP数据报
被IP协议封装的数据叫做IP数据报，和网络层相关的内容主要在数据报头部中。
IPV4头部
版本号：指定IP协议的版本，对于IPV4来说，版本号就是4。
首部长：标识IP头部的大小，单位为4字节，如果没有可选项，这个值设为5，即IP首部长度为20字节。
服务类型：用来表明服务的优先权,但是现在因为实现困难，基本被弃用。
总长度：一个IP数据报的总长度，以字节为单位，这个字段长 16比特，因此IP数据报的最大长度为65535字节。但是实际上，长度超过MTU的IP数据报会被分片传输，所以数据报长度基本不会达到上限。
标识：用来唯一标识主机发送的每一个数据报。
标志：由3比特组成，标识包被分片的信息。第一位保留不使用。第二位表示是否进行了分片，0表示可以分片，1表示不能分片。第三位表示是否为最后一个分片，0表示是，1表示否。
片偏移：用来标识每一个分片相对于原始数据报处的偏移，单位为8字节。又因为片偏移占13位，最多可以表示8192个相对位置，所以片偏移最多可以表示8x8192=65536个字节的位置。
生存时间：指数据报到达目的地之前经过的路由器的跳数，每经过一个路由器就会减1。当该值变为0时，路由器丢弃该数据报，并向源端发送一个ICMP差错报文。
协议：是IP数据报上层协议的编号。
校验和：用来校验IP数据报头部在传输过程中是否被损坏。
源地址：发送端IP地址。
目标地址：接收端IP地址。
选项：可变的可选信息，包括路由记录，时间戳等。
填充：在有可选项的情况下，设置填充可以将首部长度调增为32的倍数。
IP分片和IP重组
上面介绍过，当IP数据报的长度超过MTU(Maxmum Transmission Unit)时，它会被分片传输，也就是将大的IP数据报切割为较小的数据报，当数据报到达目的地时，再重组起来。分片可能发生在发送端或者路由器上，重组只可能发生在目标机器出。不同的数据链路有不同的MTU值，例如以太网的MTU是1500字节。
3.IP路由
IP协议的一个核心是数据报的路由，也就是IP数据报从到发送端到接收端的路径。IP数据包不一定能直接从源端发送到目的端，它需要先经过一个或多个路由器来实现中转。为了实现这种中转，就需要路由控制。
路由控制表
路由控制表保存着路由信息，具体来说，它保存着网络地址和下一步应该发送到哪个路由器的地址。发送IP数据报时，首先确定IP数据报中的目标地址，然后再根据路由机制确定转发地址。
路由机制
1. 如果路由表中有和目标IP完全匹配的主机IP地址，则使用该路由项，否则转步骤2。
2. 从控制表中找到与该地址有相同网络地址的记录，将IP数据报转发给相应的路由器。如果存在多条相同网络地址的记录，则选择相同位数最多的网络地址转发；如果没找到则转步骤3
3. 选择默认路由项。默认路由为0.0.0.0/0
路由更新
使用route命令可以更新路由。
IP协议的工作流程
总结IP流程之后，可以对IP协议进行一个总结：
1. IP模块接收IP数据报，对头部进行检查
2. 如果该数据报TTL(最大生成时间)为0，则丢弃，否则判断它是不是发送给本机的数据报，如果是，则将它转发给上层应用，否则考虑转发它
3. 结合路由机制，得到下一跳的IP地址
4. 处理IP头部选项，如果有必要，进行分片操作
5. 将该数据报转发给下一个路由器
