网络 网络层

网络层是用信子网的边界，是通信设备的协议最高层.其功能是负责地址管理与路由选择（为每一条网络中的数据根据想去的地方选择合适的路径），典型的协议是IP协议，典型的设备是路由器

IP协议的工作类似于邮政服务，事先不需要通知收信人，邮政服务会接收信件，并将其按照邮递路线送给收信人。无连接数据通信也是不通知终端主机就将IP数据包发送出去。IP协议是作为低开销协议设计的，它只提供网络系统从源主机向目的主机传送数据包所必须的功能，该协议并不负责跟踪和管理数据包的流动。因此Internet在网络层就是采用无连接的数据报服务设计思路 版本号：包含IP版本号，例如IPV4/IPV6 首部长度：标识IP报头的长度，以4字节为单位（最小20字节/最大60字节） 服务类型：用于确定每个数据报的优先级级别 报文总长度：指头部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度不超过64k，总长度必须不超过数据链路层中的最大传送单元MTU 标识：若IP报文大小大于数据链路层中指定的MTU，但是又符合数据长度字段，则这条数据会在数据链路层中进行数据分片。用于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 假设以太组网方式默认MTU=1500，假设报文长度为1500，下面是进行分片操作图解 一个完整的报文，有可能因为mtu的因素，在数据链路层中进行数据分片，而这些分片在对端就需要分片重组，重新组合称为一个完整报文 标志：1位保留，1位不分片位FD，当DF为0时才允许分片；如果DF为1则，表示禁止分片，如果数据包大于MTU，则该路由器将数据包丢弃。还有1位是更多分片MF，当MF为1是表示后面还有分片；当MF为0则表示是最后一个分片 片偏移：当分片在对端进行重组时，就需要确定这个分片在原数据包中的相对位置，偏移单位为8字节，也就是13位最大能够表示2^13*8=65536，所以每个分片（除了最后一个）长度都是8的整数倍 生存时间TTL：表示报文的最大生命周期，每经过一次路由器就会-1，当该值为0时，路由器会将丢弃数据报(默认为64，现在大多为128)，主要是防止路由环路的问题 协议：记录传输层所使用的协议，便于目的主机解析格式时应该对应用哪种协议。典型的值有01-ICMP，06-TCP，17-UDP 校验和：校验数据的一致性（每层都会有相应设备对数据的校验，不会去校验其他层，所以每层都会进行校验） 源IP/目的IP：描述通信中的两台主机在网络层中的地址 选项数据：提供一种途径允许后续版本协议包含原设计中未出现的信息

IP地址 = 网络号 + 主机号 网络号：一个网络的标识，由个网络中所分配的IP地址都会带有这个网络号，网络号也叫网段 主机号：标识同一网络中的不同主机，也就是同一网络有同一网络号，但是有不同的主机号

IP协议版本有两种，IPV4和IPV6，IPV4，IPV4地址类型是uint32_t，总共40多亿个IP地址，用于在网络中唯一标识主机

IP地址是计算机进行动态分配的（DHCP），但是计算机在分配IP地址时是如何做到所有主机不会产生分配冲突的呢----网段划分

A：用于组建大型网络，高1位固定为0，7位网络号，24位主机号；网络号范围：0~ 127，IP地址范围：0.0.0.0~127.255.255.255 B：用于组建中型网络，高2位固定为10，14位网络号，16位主机号；网络号范围：128.0~ 191.255，IP地址范围：128.0.0.0~191.255.255.255 C：用于组建小型网络，高3位固定为110，,2位网络号，8位主机号；网络号范围：192.0.0~ 223.255.255，IP地址范围：192.0.0.0~223.255.255.255 D：特殊IP地址 E：特殊IP地址

缺点：存在大量IP地址的浪费（大量公司的申请的都是B类网络），导致B类地址很快就分配完了, 而A类却浪费了大量地址

特殊的IP地址：

CIDR方案就是引入子网掩码来划分网络

子网掩码是uint32_t类型的数字，这个数字由连续的二进制1来组成，通常用一串0来收尾，例如我们平时家用网络的子网掩码一般都是255.255.255.0 子网掩码与IP地址相与得到当前的网络号 255.255.255.0 & 192.168.137.1 = 192.168.137.0 子网掩码取反就可以获得这个网络中的主机号范围 ~255.255.255.0 = 0.0.0.255，则这个网络中的主机号范围为：0 ~255

假设一个公司要申请了一个C类网络，IP地址为200.161.30.0，现在公司中有4个部门，希望从这个网络中平均划分出四个子网供给各个部门使用，请计算每个子网的网络号为多少，和对应的子网掩码为多少，且IP地址的范围又为多少? 答：C类网络中的子网掩码为255.255.255.0，即前3个字节200.161.30为网络号，子网划分将从第四个字节的第一个比特位开始。现需要划分为4个子网，即需要2个比特位，因此子网掩码为255.255.255.11000000，即255.255.255.192 子网1的网络号：200.161.30.00000000；即200.161.30.0 子网2的网络号：200.161.30.01000000；即200.161.30.64 子网3的网络号：200.161.30.10000000；即200.161.30.128 子网4的网络号：200.161.30.11000000；即200.161.30.192

每个子网都有64个主机号，则有效主机IP地址范围为（去除主机号全为1和全为0的ip） 子网1：200.161.30.00 000001 ~ 200.161.30.00 111110；即200.161.30.1 ~ 200.168.30.62 子网2：200.161.30.01 000001 ~ 200.161.30.01 111110；即200.161.30.65 ~ 200.168.30.126 子网3：200.161.30.10 000001 ~ 200.161.30.10 111110；即200.161.30.129 ~ 200.168.30.190 子网4：200.161.30.11 000001 ~ 200.161.30.11 111110；即200.161.30.193 ~ 200.168.30.254

注：当要划分不是2的次方整数倍时，需要向上划分。例如划分5个子网，此时必须划分为8个子网。也就是前3个比特位为网络号

公网也称外网，也就是我们所说的互联网；私网也称内网，仅限于内部通信 IP地址的数量是有限的，只有40多亿个，DHCP动态地址分配并不能完全解决这个问题。此时就引入了NAT来解决IP地址不够用的问题

NAT全称（Network Address Translation，网络地址转换），主要用于组建私网，将私网的IP地址转换为对外的IP地址。 私网中的主机都有各自的IP地址，而私网对外只有一个IP地址。也就不同私网的主机，即使IP地址相同，也没有关系。因为他们对外上网的时候会通过NAT服务转换为对外的IP地址进行上网。但是要注意私网之间，网络不能相邻，否则就会造成冲突 但是私网的网络号也不能随便使用，万一与公网上的某个网络号冲突了就不合适了。在RFC文档1918规定，能够用于组建私网的网络号有以下几种 10.* . *. *----用于组建大型私网 172.16. * . * ~ 172.31. * . *----用于组建中型私网 192.168. *. *----用于组建小型私网

路由器的功能就是实现数据包的寻址和转发 路由选择：就是路由器的寻址，寻址数据包到达目的IP地址的最佳路径 路由表：路由表存储了有关本地网络和远程网路的数据转发信息

在Linux操作系统下，可以使用route命令查看路由表信息 重要名词解释 Destination：目标网络 Gateway：网关地址 Genmask：子网掩码 Iface：连接指定网络的网卡

假如主机1要给主机2发送数据，并不会直接将数据发送给主机2，而是要先将数据发送给路由器1，然后路由器进行路由选择，先查看主机1是否属于自己的私网，利用主机1的IP地址和自己组建的私网的子网掩码相与得到一个网络号，如何得到的网络号和自己组建时的网络号相同，则表示主机1属于自己的私网，这时候就可发送给主机2。但是发送给主机2之前，先要确认主机2是否属于自己的私网，也是要拿主机2的IP地址和自己组建的私网的子网掩码相与，如果与自己组建的网路号相同，就才会发送给主机2

假如主机1要上百度上网，会将数据发送给路由器1，然后路由器要发送给百度，百度的IP地址为39.156.69.79，然后发送时将这个IP地址依次从表格的上到下和子网掩码相与，看有没有相同的网络号，如果没有就可以通过eth1网卡发送到default的网关上，此时数据就到达了运营商路由器。运营商路由器也有自己的路由表，然后根据自己的路由表寻找目的地。以此类推，最后才将数据发送给百度

私网之间的主机是无法直接进行通信的，例如主机1不能和主机3和主机4直接进行通信的 主机1要和主机3通过qq进行网络通信，会先将数据发送到路由器1，再将数据发送到运营商服务器，再发送到互联网，互联网再发送到qq服务器，然后qq服务器再发送至互联网，再到运营商服务器，然后再到路由器2，再发送到主机3。这里发送数据时都路由器都会记录两网卡之间的映射关系，是由哪个源IP地址和端口发送到哪个目标IP地址和端口，这个技术叫做NAPT。例如路由器1与记录主机1之间的映射关系 192.168.3.2 192.168.2.2

相邻网络：一个路由器上边连接的网络，对于这个路由器都是相邻网络。例如下图中的路由器1和路由器2并不相邻，路由器1和路由器2都和运营商路由器相邻 相邻网络不能使用同一个网络号，如果使用了用同一个网络号，此时路由器会记录两个同样的网络号，如果发送数据，就不知道发送给谁了 私网之间是不能通信的，他们有可能具有相同的IP地址 网关就类似于一个中转站，两个主机之间要进行通信，就必须经过网关。 互联网中路由器上记录的路由表，包含的不仅仅是与自己相连接的网络的路由信息，与自己不相连的也会记录