前言：
网络层协议解决什么问题
当我们在上层实现了应用层协议将字符流数据转化为结构体数据，在传输层完成了通信的实现，数据的传输，但是数据最终还是得从本主机输出，从网络中进入到远端的另外一台主机。
- 网络层协议IP解决的就是两台主机间数据的转移，也就是提供了一种将数据包从一台主机送到一台主机的能力。
- 传输层协议TCP/UDP解决的是网络传输的可靠性，将数据传输到相应的应用程序
- 应用层协议HTTP/HTTPS解决的是将字节流数据转化为结构体数据
如图：主机B发送数据包经由若干个路由器最终到达主机C
基本概念
- 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
- 路由控制是路由器根据路由控制表转发数据包的过程。
1.IP协议
1.1.IP协议格式
32位源IP和目的IP
表示发送端的ip地址，和数据报文的目的主机地址。
4位版本
对应着IP协议版本
- IPV4（表示4个字节表示IP地址）
- IPV6（16个字节表示地址）
4位首部长度
和TCP协议的4位首部长度一致，单位也是4字节，大小最大为40字节
8位协议
用来识别数据报文是TCP协议还是UDP协议，防止不同类型的协议之间进行通信
16位总长度
表示整个报文的长度，并且已知报头长度固定为20字节，那么通过报文长度 = 报头长度 + 有效载荷长度，即可分离报文和报头
8位服务类型
用于数据包发送质量、效果优先级的选择。
- 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。
8位生存时间（TTL）
报文在路径转发过程中，经由路由器的跳数上限（不允许报文在路径节点进行无意义的节点转换，造成资源的浪费）
16位标识、3位标志、13位片偏移
因为在网络层的下一层数据链路层，最大允许发出报文长度为MTU=1500，也就是网络层形成报文之后可能大小会大于MTU，这时候就需要进行分片、多次发送。
- 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（用来区分不同的报文）
- 3位标志字段：第一位保留(默认填0，暂时没有意义)。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，最后一个分片置为1，其他是0。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，其他报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了)
1.2.网段划分
1.2.1.知识引入
IP地址分为两个部分, 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，但是必须有不同的主机号;
例如本机ip地址为127.0.0.1，其中127.0.0.为网络号，1为主机号
如图： 路由器连接了两个局域网，而在同一个局域网，我们发现网络号是相同的，不同的是主机号，所以我们就能够通过IP地址定位到网络号和主机号，进而找到唯一的主机！！！
路由器的作用：
- 连接不同的网络
- 构建子网
- 进行数据包的路由和转发
1.2.2.IP地址划分和子网掩码
IP地址划分
在1.2.1.中我们知道IP地址划分成了网络号和主机号，保证在互相连接的网络中每一台主机的ip地址都不同，那么这时就会出现一个问题：网络号和主机号怎么设计，IP地址如何进行划分？
如图所示，为过去的一种IP地址划分的方案，为了应对不同的场景下（对应局域网的主机数量）的网络方案。
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；
- 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主句的情况。因此大量的IP地址都被浪费掉了。
我们也可以从网络的拓扑结构（两层）看出来，上述方案的IP地址利用率较低。
因此这样的固定长度划分方案，漏洞过大，并且当前国际上主流的IP地址版本为IPV4，即用4个字节（32位）来表示全球上的所有主机，理论上最多表示42亿台主机，所以IP地址也是一种资源，那么我们就需要采取其他方案在实现IP划分的同时，又保证IP地址利用率。
子网掩码
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；
值得一提的是：子网掩码以一串"1"开头，以一串"0"结尾。
如图：添加了子网掩码这个模块后，我们发现同一个IP地址转化后表示的子网内的地址范围存在不同，那为什么会导致这种不同呢？接下来我们通过下图来理解一下：
看到这里大家可能理解了子网掩码的作用，但是应该没有理解到它的魅力，那我们通过A类方案的子网掩码化来体会一下（实际上A类方案不进行子网构建，一般为B为方案）：
对比原先的IP地址划分方案，我们发现网络拓扑：
- 原先的IP地址划分结构为：大网络->主机
- 添加子网掩码后：大网络->小网络->主机
所以我们实现了将没有利用到的主机号，转化成了"子网的网络号"，进而提升了IP地址的利用率。
1.3.IP地址分类
1.3.1.特殊IP地址
- 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
- 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
1.3.2.私有IP和公网IP
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地址的规则：
- 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，都称为私有IP（内网ip），其余的则称为全局IP(或公网IP)
我们的计算机是接入到运营商供给的私有网络的，而我们平时使用的云服务器就是公网IP。
如图：我们分层将广域网分为若干子网，然后子网接着划分为下一级子网，最终在连接上使用私有IP的主机，最终实现从广域网到局域网，从公有ip到私有ip。将子网划分提高了定位和查找主机的效率。
- 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**（只要WAN口IP不同即可区分）**
- 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，最外层的运营商路由器，WAN口IP就是一个公网IP了。
1.3.3.NAT技术
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).
那么我们实际上进行网络通信时，数据报文在网络中是如何传送到服务器的呢？
首先内网IP不会出现在公网通信中，所以内网如果需要实现通信，就得一层一层通过路由器向上转发到运营商路由器中公网ip发送。并且向上转发时，需要将源IP替换成路由器的WAN口IP！！！这又是为什么呢？
因为路由器对应的子网IP不是表示当前路由器的标识，而是当前路由器的下一层子网的标识，而WAN口IP才是路由器网络中区分唯一路由器的标识！！！
这时我们就可以理解了NAT技术：逐级将当前的IP地址替换为当前对应的WAN口IP，直到转换为公网IP，也就是最上层的运营商路由器的WAN口IP。
1.4.路由
1.4.1.什么是路由
我们知道数据报文离开发送端后，并不是直接发送到接收端主机的，需要不断的通过中间节点（路由器）转发，不断路由直到到达接收端
- 路由的过程，就是这样一跳一跳 "问路" 的过程。
- "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
在智能手机未普及的时代，人们去一个很远的地方，是需要进行不断的问路，一步一步的从一个终点走到一个新的起点，再继续问路，直到最后走到目的地。
IP数据包的传输过程也和问路一样：
- 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
1.4.2.路由表
既然在网络中，数据报文是通过路由器在主机之间进行转发的，那么就会出现一个问题：数据报文怎么知道自己要去往哪一个路由器进行路由转发呢？这时IP协议就规定了每一个路由器节点中必须维护一张路由表，当数据报文到达一个节点时，通过查询路由表来获取下一个路由器的IP地址。
如图：为某一个路由器主机的路由表。
- Destination：目的地址
- Gateway：下一条地址
- Genmask：子网掩码
- Use Iface：发送接口
数据报文在路由器转发的过程：
数据报文在网络中转发的过程本质是：通过不同主机的路由表，和子网掩码按位与接着从相应地址的接口传到下一个主机，再继续这个循环
我们可以借助：route命令来查看当前主机的路由表
1.5.网络层数据切片和组装
我们在1.1.中提及：16位标识、3位标志、13位片偏移这三个字段，并且我们提及了MTU，即Maximum Transmission Unit，最大传输单元，它是计算机网络中用于描述数据帧的最大长度的一个参数。所以数据切片是为了解决数据帧过大的问题！！！
那么网络通信的过程中是如何实现数据的切片和组装的呢？
切片规则：
- IP数据报文总大小为1500字节（包括20字节的固定报头）
- 当数据报文超过1500字节时，切片的第一片3位标志为001，并且13位片偏移量为0
- 切片的最后一片的3位标志为0，并且13位偏移量等于其他
如图：我们首先进行切片，因为MTU=1500，所以我们需要切成三片，接着将这三片数据传入数据链路层，最终发送到对端主机
而当我们在对端主机接收到许多数据帧，然后将帧头去掉后传到网络层后，我们如何找到这些切片后的数据报文，并把他们组装到一起？
组装规则：
- 必须按照顺序、并且组装完整成分片前的完整的IP数据报文
- 第一个切片的3位标志位001，并且13位偏移量为0
- 根据相同的16位标识来对分片的报文进行组装
通过图上这种方式，我们就可以分别找到若干个段切片后的IP报文，接着我们保留第一个切片的报头，把其他切片报头除去，按照顺序将切片的所有IP报文恢复成切片前的完整的IP报文，传到传输层中。这就是数据的组装。
从传输层数据大小设置来替代数据切片
然而我们不得不承认：切片并不是一个好的传输策略，首先切成若干份，可能会增加丢包的风险，这时就会导致数据的传输需要消耗更加多的资源，那么我们如何解决这个问题呢？
我们知道IP报文需要进行切片的根本原因就是：
- 数据链路层存在最大传输单元MTU
即IP层向下转发的数据报文过大，也可以说是传输层的TCP/UDP报文过大，那么我们就认为规定单次向网络层传输的字节数不超过 MSS = MTU - IP协议报头大小 - 以太网数据报头大小
这样我们就尽量避免了数据的切片和组装，但是实际应用上我们还是运行这种情况的出现......