1. 网络层

在应用层解决了如何读取完整报文、序列化反序列化、协议处理问题。在传输层解决了可靠性问题。那么网络层IP的作用是在复杂的网络环境中确定一个合适的路径，将数据从A主机送到B主机。

2. IP协议

主机：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。

2.1 协议头格式

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： 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。这里和TCP报头理解是一样的。

8位服务类型：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/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。不过这个一般不用了。

16位总长度：IP数据报整体占多少个字节。

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。

那么IP协议如何给上层进行分用呢？是交付给TCP还是UDP呢？
在报头中，有8位协议: 表示上层协议的类型。

如果由于网络的BUG或者对端主机不可达等不可控因素的存在，导致IP报文在网络中长时间游离，而不消失。该怎么办呢？
8位生存时间：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64，每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。

我们要知道：数据在网络层后还需要传给数据链路层，但是数据链路层有个规定：为了减小传输时的碰撞，它单次发送的有效载荷是有限制的。所以就有了IP分片的问题。

需要对IP进行分片，是由谁来做？
是由发送方的网络层来做的。

全部收到之后，是由谁来组装呢？
是由对方的网络层进行组装。

如何进行组装呢？
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。
也就是说，一个IP报文它的16位标识是1234，如果被分片成3份，那么每份的报文的报头里的16位标识都是1234。

第一点我们要知道的是：我们要识别某个报文的分片的，还是没有分片的。
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最大限制，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0，其它是1。类似于一个结束标记。

13位分片偏移：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，除了最后一个报文之外，其它报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了)。

根据这两个标记位，只要更多分片是1或者更多分片为0但是偏移量不为0。只要满足这两点就说明报文被分片过。

第二点我们要将序号相同的报文收集到一起。
我们如何判断我们收集的报文被收全了呢？
根据偏移量，偏移量为0就是开头，然后下一个报文=上一个报文偏移量+上一个报文自身长度，这样就能判断有没有缺失的了。

第三点我们要正确的把分片报文组装起来。
这里就根据偏移量进行排序，然后组装就行了。

如何进行分片呢？
分片之后，每一个分片也是一个独立的IP报文，也要有报头。

举个例子：
假设传输层有2980个字节要传给网络层，网络层加上报头就是3000字节，但单次传输的上限是1500，那么网络层就需要分片。

这个例子，我们最少要分片成3份：
第一份：20+1480=1500
第二份：20+1480=1500
注意：分片下来的报文每个都需要添加自己的报头。
两个1480是2960，因为发送的有效载荷的大小是2980，所以还差20字节。那么第三份：20+20=40。这样才是正确的分片。

但是无论是发送方还是接收方，分片和组装行为，双方的传输层是不知道的，它只关系完整的一个报文。
假设一个报文传输的丢包概率是1%，但是我们进行了分片，分成了3份，如果有一份丢失，就说明了整个报文丢失，那么丢包的概率就大大增加。其实网络层进行分片，不是主流的。

那么分片对UDP和TCP有影响吗？
当然有影响，但是TCP有可靠性，可以重传，但UDP的影响就大大增加了。所以，我们可以进行设置不进行分片。

那么如何减少分片呢？
其实网络层不能决定分片还是不分片，这是由传输层决定的。网络层只是负责这个工作。一般在三次握手的时候，就会协商单次传输数据的报文大小。

那么传输层单个报文的大小一般设置成为多少合适呢？

3. 网段划分

IP的构成：ip=目的网络+目的主机。
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。

IP在路由的时候，先根据目的网络进行路由，找到目的网络之后，再根据目的主机的主机号，进行数据转发。

所以，子网划分的作用是为了提高查找目标主机的效率。

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP 地址分为五类：

随着Internet的飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现出来：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划分方案，称为CIDR(Classless Interdomain 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。

下面举两个例子：

IP地址与子网掩码做按位与运算可以得到网络号，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位是1，也就是255.255.255.0。

3.1 特殊的IP地址

1. 将IP地址中的主机地址全部设为0，就成为了网络号，代表这个局域网。
2. 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。
3. 127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试，通常是127.0.0.1。

3.2 IP地址的数量限制

我们知道： IP地址(IPv4)是一个4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。

难道一共只有43亿台主机能接入网络吗?
并且由于一些特殊的IP地址的存在，数量远不足43亿，另外IP地址并非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。CIDR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，但是IP地址的绝对上限并没有增加)，仍然不是很够用。这时候有三种方式：
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.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。

前面两种方法都不能很好的解决问题，但还有个NAT技术能解决这个问题。

4. 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。
所以，家用路由器和运营商路由器除了可以进行IP报文转发之外，还可以构建子网。
那么当我们家里用的主机发送消息通过运营商路由器发送到公网，然后它需要给我们响应，那么响应的是我们家里的私有IP吗？前面我们说过，私网IP是不能出现在公网上的。因为家用路由器的子网IP是可以一样的。

那么发送到公网的消息流程如下：
我们要从家里主机发送到公网，那么假设开始IP是：192.168.1.201，目的IP是：122.77.241.3。首先会发送到家用路由器，它会发现我们发送的数据不在家用路由器的子网内，就会把开始IP是：192.168.1.201，替换成家用路由器的WAN口IP：10.1.1.2，然后发送到运营商路由器，它也能发现我们发送的数据不在运营商路由器的子网内，会被开始IP：10.1.1.2替换成运营商路由器的WAN口IP：122.77.241.4，由此就可以访问公网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，最终数据包中的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)。

那么公网怎么把响应发给我们呢？
这个后面再说。