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网络层的作用

网络层的作用主要有两个，1.路由选择，2.主机定位，网络层提供了一种能力，让数据可以跨网络传输的能力。

IP报文格式

报文格式如下。

1).版本：版本用来表示IP版本，如IPV4，和IPV6。
2).首部长度：和TCP报文一样，4比特位范围为[0 - 15]当然，存在一个单位，为4B。
3).总长度：其代表的是整个IP数据报的总长度，包括报头 + 内容，单位是字节。
4).标示，标志，片偏移：都是IP分片需要用的字段。

IP分片，数据链路层存在一个MTU（最大传输单元），当IP数据报的长度大于MTU，则会导致分片。
1).标识：用来标识唯一的IP数据报，如果没分片，则也会存在标识，如果分片了，则同一个IP报文的标识都相同。
2).标志：IP的标志位有三个比特位，只有前两个标志位有意义，第一个标志位代表MF，第二个标志位代表DF，MF：MF = 1，则代表后续还有分片，MF = 0，则代表该分片已经是最后一个分片了，DF：代表是否允许分片，DF = 0，则代表允许分片，否则不允许分片。
3).片偏移：每一片的起始位置除以8，可以通过片偏移 * 8得到其原先的位置。

5).生存时间：TLL（生存时间）是一个整数，没经过一个路由器，TLL就减一，减到0后，该IP数据报直接删除。
6).协议：代表IP数据报的载荷部分使用的是什么协议。
7).其他字段与TCP之前介绍的相同。

网段划分

划分网段是比较重要的知识，我们将IP地址分为了两部分，一部分叫做网络号，一部分叫做主机号，我们按照网络号和主机号的位数，可以划分以下四类地址。

这种划分很粗鲁，在当今，IP地址已经不够用，所以我们将所以IPV4的网络划分成了公网IP和内网IP(私有IP)，以下是两者的范围。

公网IP是不能重复使用的，而内网IP可以重复使用，在现实中，我们也是这样做的，如下图。

在不同的局域网内，可以重复使用已经使用过的IP，这样就极大的缓解了IP地址不够用的问题，同时需要NAT技术进行辅助，关于NAT后面在详谈。
同时每个路由器都可以动态分配IP地址，回收不在使用的IP地址，这样有效减少了IP地址的浪费。

子网划分

CIDR技术，将一个较大的网络，划分成更小的子网络，减少IP地址的浪费。该技术目前广泛被使用，它将IP地址表示为 [ 网络号 ]/网络号的比特位数 ，比如192.168.1.0/24，为了掩盖真实的IP地址，以及快速计算出某个IP地址的网络号和主机号，有人提出了子网掩码这个概念。

比如。

我们将IP地址和子网掩码做与运算，就能得到该IP地址的网络号。

数据路由过程

路由，就是从网络中的一个结点，到达另一个结点的过程。数据在网络中是如何路由的呢？这需要借助路由器。
我们知道，IP报头中存在这src ip和dest ip这两个字段，这让我们明白了，我们要发给谁，但是在网络中，我们必须一步一步路由，所以，在主机/路由器中，存在路由表，数据报到达链路层后，我们可以用dest ip与路由表中的子网掩码进行按位与操作，如果与网络地址向匹配，则在通过ARP协议将IP转换为MAC地址，封装在MAC帧中，发送出去。
路由表结构如下。

比如说，我们的目的地址为192.168.10.66，则我们同目的地址与所有的子网掩码进行按位与操作，得到，我们应该向Destination为192.168.10.0的网络接口发送数据，如果没有任何匹配，则向默认接口发送，如上图，默认网关为192.168.10.1。
网络中的数据没经过一个路由器，就会进行上述操作，知道找到我们dest ip的网络，随后在局域网内进行转发，这就是链路层的事了。

NAT

通过公网和内网的划分，我们知道，内网和内网间的IP是可以重复的，那么我们将数据发送过去后，数据就无法发送回来的，因为不同内网的IP可以重复， 当前网络在该框架下，为了解决该问题，就提出了NAT技术。
比如。
从一个局域网内的某台主机要访问某个服务器。

当私有IP通过一个局部路由器时，就会将该路由器的WAN口地址替换IP报头的src地址，当经过运营商的路由器时，运营商的WAN口IP已经接入了外网，所以将该外网地址作为IP报头的src地址，随后使用新的IP报文在网络中通信，在每次转换的时候，路由器内都会记下一组映射，当服务器要发送返回报文时，就与各种路由器的NAT表进行比对，如果比对成功，则发送到该路由器，依次发送下去。
对于NAT表，我们有两种填充方法，一种是静态NAT，及人为的手工加入映射，第二种是动态NAT，及在路由过程中，将映射加入NAT表。
更具NAT技术的描述，我们可以发现，只能内网先访问公网，公网才能返回到确定的内网，并且无法由内网直接访问内网，这是NAT的特点。
以下内网穿透和内网打洞皆是利用了NAT的特点。

内网穿透

一台内网中的主机可以通过外网访问到另一台内网中的主机，解决了NAT无法从内网访问到另一个内网的缺点。

1).内网穿透首先需要一个中转服务器，同时，接收方与服务器进行TCP链接，将内网的主机端口和中转服务器的端口进行映射，同时在路由器中建立NAT转化表，为数据返回内网做准备(NAT技术的特点)。
2).当其他内网主机访问中转服务器的对应端口，就可以通过转换表和之前建立的映射，直接访问到另一个内网中的数据。
所以传统的内网穿透，是需要经过中转服务器的。

内网打洞

内网打洞的原理和穿透很相似。

1).依旧是接收方向某个服务器建立TCP链接，此间经过路由器生成NAT表，为数据返回内网做准备。
2).发送方与服务器建立链接，生成NAT表，根据建立TCP链接的接口，我们可以知道接收方内网的运营商的WAN口IP，同时将该信息发送给发送方的主机。
3).发送方就可以拿着接收方的运营商WAN口IP，访问该路由器，通过早在第一次链接服务器就建立好的NAT表，就能找到对应的主机了。
内网打洞，在真正跨内网访问的时候，没有经过任何中转服务器。