一. 传输层 VS 网络层
传输层有UDP和TCP两大常用协议，UDP只关注数据的收发，而不关注对方主机是否收到了发送的消息；TCP较UDP来讲，是关注数据是否被接收方收到的。
而计算机常用的TCP/IP协议是传输层和网络层协议的组合，IP协议是提供数据跨网络传输的能力，解决了路由选择的问题，TCP是可靠的，可以保证历史报文可以100%被对方收到，所以TCP/IP协议的核心功能：把数据100%可靠的从本机跨网络交付给接收端。
二. IP网络层
2.1 IP层报头及属性
- 四位版本：是IP的版本，IPV4，四位版本就是4
- 4位首部长度是IP报头的长度[0，15] 4字节的基本单位 -> [5,60]
- 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
- 16位总长度是IP报文的整体长度
- 8位生存时间TTL(Time to Live)数据报到达目的地的最大报文跳数，可以理解为是一个计数器，每经过一个节点TTL-=1，如果TTL=0时还没有到达目的地，这个报文就丢弃。
- 8位协议，表示交付给上层传输层的哪个协议，TCP/UDP
- 16位首部校验和，用这个来进行CRC校验，看头部是否损坏
- 32位源IP地址，表示本机的IP地址，这也就是为什么上层的IP要使用4字节，并且要转化成网络字节序，便于报文的填充
- 32位目的IP地址，表示目标主机的IP地址
IP报文如何封装和解包？
IP的报头是定长包头，通过报头中的4位首部长度就可以做到解包了；
IP报文如何分用？
通过报头中的8位协议，确定交付给上层的哪一种协议。
2.2 网段划分/子网划分
IP地址= 网络号 + 主机号
- 网络号：保证相互连接的两个网段有不同的标识
- 主机号：同一个网段内，主机号之间具有相同的网络号，但是主机号必须不同
- 子网内部，主机的网络号一定是相同的
- 如果在子网内新增一台主机，这台主机的网络号和其他主机的网络号相同，但是主机号必然和其他主机不同
子网的划分可以理解为邮政编码，假设没有收件地址。邮递员通过邮政编码就可以确定收件人的省市县，将来在发送邮件的时候，通过编码交付给对应的省，省内邮递员在交付给对应的市，市级邮递员再交付给先，依次向下交付，而不用全国范围内一个一个的查收件人。有了邮政编码，把全国的其他省市都去除掉了，只剩下目标省市，大大提高了传送的效率。路由传输报文，本质是查找目标主机的问题，查找反过来理解就是淘汰的过程，淘汰的效率越高查找的效率就越高！再未来查找目标主机的时候，先必须找打目标网络，本质就是淘汰其他网络，可以提高在全网中查找主机的效率。
通过合理设置主机号和网络号，就可以保证在相互连接的网络中口，每台主机的IP地址都不相同。
那么问题来了，手动管理子网内的IP，是一个相当麻烦的事情
- 有一种技术叫做DHCP，能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址，避免了手动管理IP的不便。
- 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。
过去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，如下图所示：
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到239.255.255.255
E类240.0.0.0到247.255.255.255
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)(无类别域间路由)：
• 引入一个额外的子网掩码(subnet mask)来区分网络号和主机号；
• 子网掩码是32位的整数，前面一串1，用1的个数n表示IP的前n位是网络位，后面32 - n位以0填充
• 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
子网地址范围 = 网络号 + 主机数 - 1；
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地址的子网掩码的高24位是1，也就是255.255.255.0
有了子网掩码，就可以根据子网内的主机数量，动态的调整IP，如果子网内主机少，就可以把主机位给网络使用，这样就可以增加子网的数量，但是同一个子网内的网络号还是相同的；如果主机多，网络位占用的主机位就可以少到0，就可以在子网内容纳更多的主机
2.3 特殊的IP地址
- 将IP地址的主机号全置为0，表示网络号，代表这个局域网，同一局域网中的网络号相同
- 将IP地址中的主机号全置为1，表示广播地址，在局域网中所有的主机都能接收并处理这条数据
- 127.*的IP地址用于本机的环回测试，通常是127.0.0.1
2.4 私有IP地址和公网IP地址
如果一个组织内部组件局域网，IP地址只用于局域网内通信，而不直接连在公网上，理论上使用任意的IP地址都可以，但是RFC 1918规定了用于组件局域网的私有IP地址
- 10.*，前8位是网络号，共16777216个地址
- 172.16.~ 到172.31.~，前12位是网络号，共1048576个地址
- 192.168.~前16位是网络号，共65536个地址
包含在上面范围中的都是私有IP，其余的是公网IP
- 一个路由器可以配置至少两张网卡，一张是WAN口IP，是公网IP；一个是LAN口IP，是子网IP，路由器就用这个IP来构建子网
- 路由器LAN口连接的主机，都从属于当前这个路由器构建的子网中
- 子网内主机需要和外网进行通信的时候，路由器将IP首部中的IP地址替换为WAN口IP，这样逐级替换，最终数据包中的IP地址就是公网IP，私有IP不能出现在公网上
2.5 数据是怎样跨网络传输的
举个例子，北京的一个用户在和深圳的朋友使用微信聊天，北京的朋友发送数据，报文在出北京某个区的时候，将目标主机的IP&子网掩码得到网络号，发现不是自己所在的子网，就需要路由器将报文进行转发，此时路由器会将区的子网IP替换成这个路由器的WAN口IP（WAN口IP全球唯一，当报文进入公网转发的时候就不进行替换了，这样进行IP地址替换的技术叫NAT技术），将这个报文交给北京市的路由器，北京市的路由器查找路由表发现，这个报文也不是交给北京市的某个区的，就会将报文中原区的WAN口IP替换成北京市路由器的WAN口IP，查找路由表发现这个报文是交付给广东省的报文，就将报文转发给广东省的省级路由器，广东省的省级路由器查路由表发现是发给深圳市的报文，将报文交给深圳市路由器，再向下交付给南山区的路由器，这时候，就进入了子网，南山区的路由器就会向目标主机发送ARP请求得到对方的MAC地址后，就将报文交付给了对方。
对方将消息发送后，发送到公网，公网将对应的报文再次转发给子网，路由器中会有一张NATP表，记录了目标主机的IP：port和源主机的IP：PORT，根据目标主机的IP和PORT就能查到源主机了，这样就可以同各国路由器交给原来的发送方。
2.6 IP分片和组装
因为数据链路层最大能传输的字节大小是1500字节，如果超过这个大小，就要在网络层对报文进行切分（分片可能发生在任何地方）
- 16位标识id：标识主机发送的报文，如果IP在数据链路层被分片了，那么同一个报文每一个分片的id都是相同的
- 3位标志：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过数据链路层的最大传输单位，IP模块就会丢弃该报文，第三位表示更多分片，如果报文被分片，最后一个分片置为0，其他是1，类似于字符串用
\0表示结尾 - 13位分片偏移：分片相对于原始IP报文开始处的偏移，其实就是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/8得到的，因此除了最后一个分片之外，其他的报文长度必须是8的整数倍
在组装的时候，会根据片偏移排序后进行组装，发现有丢失，整个报文就会被丢弃。.
如果中间报文丢失，偏移量就连续不起来，整个报文丢弃；如果最后一片丢失，三位标志最后一位是0的片找不到，整个报文丢弃；第一个报文丢失，偏移量为0的报文找不到，整个报文丢弃。
在网络层决定报文的下一站给哪个子网，在链路层通过ARP获得下一站MAC地址