网络层主要做两方面事情：

1.地址管理：制定一系列规则，通过地址描述出网络上的一个设备的位置

2.路由选择：网络环境复杂，从一个节点到另一个节点之间有很多条路径，这就需要通过路由选择来筛选/规划出更合适的路径进行传输。

所以我们接下来讲解到IP协议，也是从这两方面进行展开

一.IP协议报文格式

4位版本：指定协议的版本。如果这里的数据是4，就表示此协议版本是IPv4；如果是6就表示IPv6

4位首部长度：与TCP的一样，IP的报头也是变长的，因为下面的选项可有可无，可以是一个也可以是多个。4个比特位表示的范围是0~15，每个比特位的单位是4字节，所以首部长度最长是15*4=60个字节（也就是选项拉满），最短是20个字节（也就是没有选项）。

8位服务类型：这个字段能够让IP协议切换形态。其实只有4位是有效的（因为前面的三位已经弃用，后面的一位是保留位）这四位叫做TOS字段（Type Of Service)，其中分别对应最小延迟，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。这四者是相互冲突的，只能让其中的一个为1.

16为总长度：描述了一个IP数据报最长是多长。16位可以表示2^16-1字节，相当于是64kb。这样看，IP协议好像是存在64kb限制，但实际上，IP协议是支持拆包组包功能的（而不同于UDP，UDP的拆包组包不是自带的，必须自己在代码中实现）

16位标识，3位标志，13位片偏移，这三个属性就是在支持拆包组包。假设一个打包要拆成若干个小包，那么这若干个小包的16位标识就是相同的数值；组抱歉要知道数据的发送顺序，这13位片偏移就是描述了当前每个小数据包（分片）的相对位置，片偏移越小就说明数据越靠前；3位标志位只有两位是有用的，一位表示是否允许拆包，一位表示是否是最后一个包（这就类似于单链表的结束标志，1表示后面还有包，0表示后面没有包了），最后还有一个保留位

注意，若哪天被问到如何基于UDP实现拆包组包，就可以模仿上面的进行回答

8位生存时间：描述了该IP数据包在网络上还能存活多久。生存时间即Time To Live，所以也叫做TTL，它的单位是次数。在IP数据包构造出来时，TTL就会被设置成一个初始值（32，64，128……），包在转发过程中，每经过一个交换机或路由器，TTL的值就hi减一。若包已经把TTL耗尽了还没有顺利到达对方，就会被丢掉

这个机制是很有用的，可以给网络兜底：假如一个包的目的IP是一个不存在的IP，这包就不可能到达目的地，所以TTL就起作用了

8位协议：描述了数据报的载荷部分是TCP还是UDP数据包，也就是传输层是什么协议

16位首部检验和：它只校验IP首部，而不校验IP载荷，因为IP载荷就是TCP/UDP数据包，它们自身就携带校验和

32位源IP，32位目的IP：这是IP协议中最重要的部分

二.地址管理

现在我们一般都是用IPv4进行IP地址的管理

IPv4是一个32个比特位的整数，能够表示大约42亿9千万个地址。但是现在，这个数字好像是不够了。互联网发展到今天，能上网的设备已经非常多了，早超过了这个数字，甚至出现了物联网，向冰箱，电视，汽车等都有IP地址，所以IPv4显然不够用了

1.如何解决IPv4数量不够的问题

方案一：动态分配IP

上网的设备就分配，不上网的设备就不分配。

这个方案明显治标不治本，它仅仅是提高了IP地址的利用率，但是并没有增加IP地址的数量。

不过，这个方案任然是被普遍使用

方案二：NAT技术（网络地址转换）

这个技术的关键就是让一个IP地址代表一大批设备。是用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局 IP 地址的技术。NAT实际上是为解决IPv4地址短缺而开发的技术。

公网和私网：

首先来了解一下公网和私网：IP可以分为Public IP 和 Private IP,出现这种规划的原因在于IPv4所能表示的IP太少而电脑太多以至于不够用，然而只有Public IP才能直接连接上网络，所以对于那些公司，学校，政府机构等场所，就可以集中使用私有的IP进行管理，而大家可以共用一个IP去连接上公网，这样，就省下了许多宝贵的Public IP。

我们用命令行输入ipconfig，查到的IP和从百度上查到的IP不一样：

在ipconfig查到的是192开头的，而在百度上查到一个外网IP（其实就是本机的公网IP）。所以其实在命令行查到的是你的私网IP（或者叫内网IP），此类地址仅在局域网中使用，不能联通外网；而在百度上查到的IP是上网的共有地址，也许并不是你的主机所在位置，而是电信联通等网络运营商分配给你的地址，用于连接互联网。

内网IP：也就是局域网IP，它是以10.或172.16~172.31或192.168开头的

外网IP：也是广域网IP，除内网IP之外。

在同一个局域网内部，内网IP不能重复，在不同的局域网，可以用相同的内网IP。但外网IP始终不可以重复。

当前情况下，通常都是一个小区/公司/学校构成一个大的局域网（这个网中有成千上万台设备），这样的局域网就使用一个外网IP即可。

NAT机制具体是怎样工作的？

比如左边的想要访问右边，左边有一个内网IP10.1.1.1，首先经过运营商路由器（它也是一个NAT设备），就能对源IP进行替换，将源IP替换成外网IP202.168.2.2（也就是它所在局域网被分配到的一个共同IP），然后传输到主机B；当主机B返回响应时，到了NAT设备后，就会将目的IP202.168.2.2替换成10.1.1.1（为什么能够替换呢？因为在NAT内部有一张转换表，记录了映射关系：里面记录着刚才是10.1.1.1的主机向172.20.7.3发送了请求，现在响应报文回来了，就要把IP替换回去）。

所以此时，运营商路由器就相当于是一个中转站。

问题：如果有多台设备都向主机B发起请求，那怎么进行转换？——NAPT

这时 ，端口号就有作用了。客户端这边的端口号是系统随机分配的，一般来说，分配到端口号是不同的，所以当服务器返回响应时，NAT设备就可以通过端口号来将行营返回给对应的客户端。所以端口号不仅可以区分同一个主机上的不同进程，也可以区分同一个局域网内部的不同主机！！

这就是NAT技术的改进：NAPT

问题：假设两台主机恰好被分配到了相同的端口号，又该怎么处理？

这时，在将请求转发给服务器之前，NAT设备会主动将相同发端口号替换成不同端口号，并在记录表中做好记录。

在整个流程当中，最关键的有以下几点：

• 网络被分为私网和公网两个部分，NAT网关设置在私网到公网的路由出口位置，双向流量必须都要经过NAT网关
• 网络访问只能先由私网侧发起，公网无法主动访问私网主机
• NAT 路由器在两个访问方向上完成两次地址的转换或翻译，出方向做源信息替换，入方向做目的信息替换；
• NAT 路由器的存在对通信双方是保持透明的；
• NAT 路由器为了实现双向翻译的功能，需要维护一张关联表，把会话的信息保存下来。

NAT技术的缺陷

它只能用于内网访问外网，但是外网访问不了内网。所以之前写到UDP回显程序，只有部署到云服务器上才能被不同主机访问。其实这时缺陷也是优势，因为黑客无法入侵，更好的保护了电脑安全。

其次，NAT没有增加IP个数。

方案三：最终解：IPv6

IPv6时使用16个字节来表示地址，这就从IPv4的4个字节扩大了,范围从2^32扩大到了2^128，是IPv4的2^96倍，简直就是一个天文数字，达到可以给地球上的每一粒沙子分配一个IP地址。

但是IPv6的普及程度很低，关键是应为IPv6与IPv4不兼容。所以要想使用IPv6就得更换设备，这是很大的一笔开销，但是花了这钱后，用户也看不到实际效果，因为它不会使得网速变快，仅仅是为了解决ip地址不够用的问题。

不过欣慰的是，我们中国是IPv6普及程度最高的国家。

2.IP地址中的网段划分

我们将IP地址划分成两个部分：网络号（标识一个局域网）+主机号（区分不同的主机）。

假设现在有一个局域网，里面有三台主机，并且通过路由器1和外部相连。其中，主机1的IP为192.168.0.1，主机2的IP为192.168.0.2，主机三为192.168.0.3，路由器1为192.168.0.10；那么这个局域网的网络号就是192.168.0，其中，.1 .2 .3 .10都是主机号。

然后又有一个与之相邻的局域网，里面也有三台主机，并且通过路由器2和外部相连。其中，主机1的IP为192.168.2.1，主机2的IP为192.168.2.2，主机三为192.168.2.3，路由器1为192.168.2.10；那么这个局域网的网络号就是192.168.2，其中，.1 .2 .3 .10都是主机号。

这两个局域网之间就通过一个路由器相连，两个相邻的局域网的网络号不能相同。

子网掩码

一个IP地址，哪一部分是网络号，不一定，子网掩码就是用来确定网络号的。

他也是32为整数，左侧都必须是1，右侧都是0，不会有01交替出现的情况。其中为一的位对应的IP位就是网络号，为0的位对应的IP位就是主机号。

例如：子网掩码255.255.255.0，写成二进制就是前面三个字节都是1，后面一字节都是0，所以对应到IP上就是说这个IP的前面三个字节表示网络号，后面一个字节表示主机号。

比如我这个，就表示192.168.43是网络号，而.208就是主机号

3.特殊IP

1.若IP主机号全部是0：说明当前IP表示网络号，代表一个局域网了

2.若主机号全为1：表示当前IP是一个广播地址（UDP天然支持广播，就可以给这个地址发送UDP数据报；但是TCP无法给这个地址发送）

3.若以127开头，表示环回IP。常用的就是127.0.0.1，不过127.0.0.1~127.255.255.254都可以，只要别用127.0.0.0和127.255.255.255即可。使用这个IP就可以给自己的主机发送数据。这是因为操作系统提供了一个特殊的网卡“虚拟网卡”，关联到了这个IP上。使用环回IP来测试程序，就可以排除网络不通畅的影响

三.路由选择

路由选择是描述IP协议数据报具体怎么走：就是A发送到B的过程中，走哪条路。

在现实生活中，我们只要输入目的地就能得到精确路线，这是应为导航是全局性的，它能够看到地球的全貌。然而对于网络，每个路由器只能够知道自己和哪个路由器相连，无法知道网络的全貌，所以IP数据报在发送时是“探索式”“启发式”的过程，很难给出最优解。

这可以举个例子：比如我在大连开发区，我要到大连海事大学，期间不使用导航。出门后，我问A大连海事大学怎么走，A说不知道，但是她知道大连海事大学在甘井子区，所以她让我先坐地铁二号线，在地铁上问问别人。上了二号线，我问B，他说他也不知道，但是他知道从哪里下车，所以我就在那里下来车。下车后，我又问了C，因为此时已经和接近大学了，所以C知道了准确路线并告诉了我。

这就是“探索式”“启发式”的过程。在路上逐渐有人给我指出了接近的方向。

一个网络层数据报，每到一个路由器，就会问路！每个路由器内部又有一个路由表这样的数据结构。根据数据报中的目的IP查表，查到了就按路转发，没查到，表中有一个默认选项（下一条地址），就按它走。