概述

网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力的数据传输服务。

与IP协议配套使用的还有三个协议：

地址解析协议ARP(Address Resolution Protocol)网际控制报文协议ICMP(Internet Control Message Protocol)网际组管理协议IGMP(Internet Group Management Protocol)

IP数据报格式

版本：有4(IPv4)和6(IPv6)两个值；首部长度：占4位，最大值是15，固定部分长度是20个字节，故最小值是5；1表示4个字节，不是4字节的整数倍，就用尾部的填充部分填充。区分服务：用来获得更好的服务，一般不适用。总长度：包括首部长度和数据部分长度标识：在数据报长度过长从而产生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符。标志：片偏移：和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位是8字节。生存时间：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据包在互联网中不断兜圈子。以路由器的跳数为单位，TTL为0时就丢弃数据报。协议：指出携带的数据应该上交给那个协议处理，例如ICMP、TCP、UDP等。首部校验和：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算校验和，因此校验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。

IP地址编址方式

IP地址的编址方式经历了三个历史阶段：

分类子网划分无分类

1. 分类

网络号和主机号：

A类地址：0.0.0.0~127.255.255.255，包含 $2^{24}-2$台计算机B类地址：128.0.0.0~191.255.255.255，包含 $2^{16}-2$台计算机C类地址：192.0.0.0~223.255.255.255，包含 $2^8-2$台计算机

2. 子网划分

在主机号字段中拿一部分作为子网号，把两级IP地址划分为三级IP地址。

IP地址 = {<网络号>, <子网号>, <主机号>}

3. 无分类

无分类编址CIDR CIDR的记法上采用在IP地址后面加上网络前缀长度的方法，例如128.14.35.7/20表示前20位为网络前缀。

地址解析协议ARP

网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。因此在通信过程中，IP 数据报的 源地址和目的地址始终不变，而 MAC 地址随着链路的改变而改变。

ARP 实现由 IP 地址得到 MAC 地址。

每个主机都有一个 ARP 高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

网际控制报文协议 ICMP

ICMP 是为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会。它封装在 IP 数据报中，但是不属于高层协议。 ICMP 报文分为差错报告报文和询问报文。

1. Ping

Ping 是 ICMP 的一个重要应用，主要用来测试两台主机之间的连通性。

2. Traceroute

Traceroute 是 ICMP 的另一个应用，用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。

虚拟专用网VPN

网络地址转换NAT

专用网内部的主机使用本地 IP 地址又想和互联网上的主机通信时，可以使用 NAT 来将本地 IP 转换为全球 IP。

路由器的结构

路由器从功能上可以划分为：路由选择和分组转发。

分组转发结构由三个部分组成：交换结构、一组输入端口和一组输出端口。

路由器分组转发流程

从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D，得到目的网络地址 N。若 N 就是与此路由器直接相连的某个网络地址，则进行直接交付；若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则把数据报传送给表中所指明的下一跳路由器；若路由表中有到达网络 N 的路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；报告转发分组出错。

路由选择协议

路由选择协议都是自适应的，能随着网络通信量和拓扑结构的变化而自适应地进行调整。

可以把路由选择协议划分为两大类：

自治系统内部的路由选择：RIP 和 OSPF自治系统间的路由选择：BGP

1. 内部网关协议RIP

RIP 是一种基于距离向量的路由选择协议。

RIP 协议实现简单，开销小。但是 RIP 能使用的大距离为 15，限制了网络的规模。并且当网络出现故 障时，要经过比较长的时间才能将此消息传送到所有路由器。

2. 内部网关协议OSPF

开放短路径优先 OSPF，是为了克服 RIP 的缺点而开发出来的。

3. 外部网关协议BGP

BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）