我們前面暫時跳過了網絡層，帶著網絡層的功能去學習鏈路層。現在可以說我們只差最后一塊拼圖了，通過網絡層，了解IP報頭的具體組成，我們就可以串聯整個協議棧了。當然，有了ARP、MTU、NAPT的鏈路層鋪墊，網絡層會理解地非常輕松。

1.網絡層

（1）IP協議頭格式

網絡層接收傳輸層的數據段，在這里進一步封裝為數據報，報頭結構如下圖：

4 位版本號： 指定 IP 協議的版本，對于 IPv4 來說，這個字段的值就是 4。有的 IPv4 集成到了系統里，這些生態問題很難改變。

4 位頭部長度： 4bit 表示的最大的數字是 15，真實的頭部長度要 * 4，所以 IP 頭部最大長度是 60 字節。固定長度是 20 字節，選項最多有 40 字節。

8 位服務類型： 其中有 4 位 TOS 字段，分別表示：最小延時、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本，這四者相互沖突，只能選擇一個（對于 ssh/telnet 這樣的應用程序，最小延時比較重要；對于 ftp 這樣的程序，最大吞吐量比較重要）。 除此之外，還有 1 位保留字段必須置為 0，以及 3 位已經棄用的優先權字段。

16 位總長度： IP 數據報總長度，包含IP報頭 + 數據部分，IP報頭的長度前面的 4 位頭部長度也單獨統計過。

16 位標識： 要理解這個，我們要結合MTU來看，鏈路層約束IP數據報（包含報頭 + 數據）不能超過1500字節，如果超過了就要分片、重組。 所以在網絡層，忽略報頭的選項部分，發現傳輸層傳下來的數據段超過1480字節的話，就要將數據分成多片，交到目標主機處再進行重組（路由器不會重組）。其中 16 位標識就是給每個分片一個相同的 ID，相同標識的說明它們原本是在一起的，網絡層也會根據 16 位標識判斷哪些分片屬于同一組的。

3 位標志字段： 第 1 位現在不使用； 第 2 位為 1 表示禁止分片，這時候如果報文長度超過 MTU，IP 模塊就會丟棄報文；第三位表示“更多分片”，如果分片了的話，最后一個分片置為 0，其他是 1，類似于一個結束標記。000表示無分片或者最后一塊分片，001表示首塊分片和中間分片。要結合片偏移最終確定。

13 位分片偏移： 是分片相對于原始 IP 報文數據部分開始處的偏移量，分片后每個片作為一個數據報獨立傳輸，偏移量告訴了之后應當按照什么順序組裝，重組后的報文應當是完全連續的。 如果 13 位分片偏移的值是 1，說明其偏移的字節數是 1 * 8，這個偏移值要 * 8才能得到真實偏移值。 因此，每個分片（除了最后一個分片）的數據量應當是 8 的整數倍，否則無法連續地拼接起來。 總結一下，標識字段000，偏移量0表示無分片；001 + 0 表示第一塊分片，001 + !0 表示中間的分片，000 + !0 表示最后一塊分片，010表示禁止分片。

8 位生存時間（TTL）： 數據報到達目的地的最大跳數，一般是64。每次經過一個路由轉發，TTL -= 1，如果一直減到 0 還沒到達，那么就丟棄，由上層控制重傳。這個字段要是用來防止出現路由循環和網絡擁堵。

8 位協議： 值表示上層協議的類型，6 對應TCP協議；17 對應UDP協議，1 對應ICMP協議（ping命令使用的協議），也就是說協議號為 1 的話報文就會交給ICMP協議去處理，而不是常認為的TCP和UDP。這和鏈路層mac幀格式的“類型”有相似之處，IP也是有自己的類型的，不同類型的IP報文其數據部分也不一樣。

16 位頭部校驗和： 進行校驗，其功能和鏈路層的CRC校驗一致，主要用于鑒別頭部是否損壞，損壞的話該報文直接丟棄。鏈路層和網絡層都有自己的校驗手段，鏈路層校驗失敗后直接丟棄且不做任何反饋，相應的，IP分片重組肯定收集不齊，也會重組失敗，反映到傳輸層就是傳輸失敗，由相應重傳機制控制重傳。如果IP層檢驗和失敗，同樣會直接丟棄且不做反饋，同樣重組分片會因為不齊而失敗，由傳輸層/應用層控制重傳。 兩者都不維護可靠性傳輸，如果校驗失敗都會直接丟棄而不反饋，造成后續的錯誤最終都匯集到傳輸層/應用層，由它們進行控制。 這也體現出分層的特點。

32 位源地址和 32 位目標地址： 表示發送端和接收端。其中路由器進行NAPT的時候會來修改這兩個字段（正向查表和反向查表）

（2）工作流程

網絡層負責接收傳輸層傳下來的數據段。根據數據段的大小，進行分片處理。分片處理后的每一片都是一個獨立的數據報，有著完整的IP報頭，但是由于將數據部分分片，每個數據報里面的數據部分實際上是支離破碎的（按順序拆成一塊塊的，每一塊都不是完整的數據段），只有第一個分片有傳輸層的頭部。 所以說需要標志、片偏移共同維護分片標識，因為一旦重組失敗了，對于傳輸層而言數據就是錯亂的，數據分片重組在傳輸層是不應該感知到的。

當IP層包裝好后交給鏈路層，分片由IP層做好后，一定滿足MTU的要求，所以鏈路層拿著數據報，根據數據報里面的目的IP判斷是否是在當前局域網。如果是的話就ARP請求對應mac地址，如果不是的話就ARP請求網關地址的mac地址。 之后mac幀被封裝傳輸給交換機，由交換機查表、擴散轉發給對應主機。

如果轉發給了路由器，路由器會進行解包操作，在鏈路層進行校驗和，如果失敗就丟棄。沒有失敗的話繼續解包到網絡層，進行頭部校驗和，如果失敗就丟棄。 路由器根據目的IP查看自己的路由表，根據最長前綴選擇好下一跳。與此同時路由器會NAPT，修改所有分片的源地址和第一塊分片的端口號，并將TTL -= 1，之后封裝好新的目的mac后發出去。

直到目的主機上進行解包，校驗和，根據標志、標識、片偏移進行重組，重組成功后就將完整的數據段交給傳輸層，失敗的話就不做任何處理。 TCP會觸發超時重傳或者快重傳，UDP的話就需要應用層自己維護重傳機制了。

2.網段劃分

這里主要是補充一些上篇文章沒有提及的IP地址相關的知識，不影響整體理解。

（1）五類地址

下面是總結各類地址的表格

地址類別	首段地址范圍（十進制）	網絡位/主機位（IPv4共32位）	默認子網掩碼	主要用途
A類	1~126（127.0.0.0為回環地址）	前8位為網絡位，后24位為主機位	255.0.0.0	大型網絡（如早期主干網、大型企業）
B類	128.0~191.255	前16位為網絡位，后16位為主機位	255.255.0.0	中型網絡（如中型企業、高校）
C類	192.0.0~223.255.255	前24位為網絡位，后8位為主機位	255.255.255.0	小型網絡（如家庭、小型辦公室）
D類	224.0.0.0~239.255.255.255	不劃分網絡位與主機位	無默認子網掩碼	組播（如視頻會議、數據群發）
E類	240.0.0.0~255.255.255.254（255.255.255.255為廣播地址）	不劃分網絡位與主機位	無默認子網掩碼	保留地址（用于科研、實驗等特殊場景，未公開商用）

我們就考慮A、B、C類地址，最開始是嚴格劃分的，但后面引入CIDR技術后，基本都是按需分配，如按照子網掩碼，/23這種表示方式來劃分網絡號和主機號，這樣極大地提高了地址的利用率。 但這并不意味五類地址被淘汰了，而是引入CIDR進行更精細的劃分，比如我用拿到了一個/7的地址塊，我可以說我拿到了2塊A類地址（主機數為A類地址的兩倍）。

（2）回環地址

127開頭的地址屬于IPv4的回環地址。

也就是說整個127.0.0.0/8網段（即127.0.0.1~127.255.255.254）均為此用途，核心作用是本地設備自我測試（如程序調試、網絡協議驗證），數據不會發送到外部網絡，僅在設備內部循環。最常用的是127.0.0.1，常用來指代本地主機。

（3）網段的特殊地址

一個子網的理論主機總數 = 2 ^ 主機號位數，但實際上是2 ^ 主機號位數 - 2，有兩個特殊地址不能使用。

主機號全0用于標識整個網段，主機號全1表示在該網段上廣播。主機號網絡號全1表示全局廣播，全0一般都是臨時占位（可表示本網絡上的本主機），這些地址都不會分配到一個具體的主機上。

（4）網絡建設

我們想要構建子網時，家里直接買個路由器即可，路由器具備構建子網的能力。但局域網的構建運營商也在做，有可能我們路由器出去還是子網，例如家庭路由器的WAN口IP實際上還是運營商子網下的私網IP。

申請公網IP，網絡建設工作，都是交給運營商來做的。所以為什么上網交錢是給運營商交錢？我們報文出了路由器后還是在運營商的子網下，我們真正想要得到公網IP需要運營商路由器NAPT之后才會得到，我們需要運營商的路由器為我們提供服務。