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网络层是干什么的？

网络层最核心的任务一句话概括：在复杂的网络环境中确定一个合适的路径。

想象一下你从北京寄快递到广州，中间要经过无数个中转站。网络层就是那个"决定走哪条路"的角色。它不关心具体怎么传输（那是数据链路层的事），只关心"从源到目的，数据包该怎么跳"。

基本概念

• 主机：配有IP地址，也要进行路由控制的设备。

• 路由器：即配有IP地址，又能进行路由控制的设备。

• 节点：主机和路由器的统称。

注意：主机和路由器都能进行路由控制，但路由器是专门做这个的，主机通常只处理自己的流量。

IP协议：网络层的核心

IP协议是网络层最重要的协议。

IP协议头格式

一个IPv4数据报的头部结构如下（每行32位，共4字节）：

| 4位版本 | 4位首部长度 | 8位服务类型(TOS) | 16位总长度(字节数) | | 16位标识 | 3位标志 | 13位片偏移 | | 8位生存时间(TTL) | 8位协议 | 16位首部检验和 | | 32位源IP地址 | | 32位目的IP地址 | | 选项(如果有) | | 数据 |

下面逐个字段解释：

4位版本号（version）
指定IP协议的版本，对于IPv4来说就是4。如果是IPv6，这里就是6。不过IPv6的头部格式和IPv4完全不同。

4位头部长度（header length）
IP头部的长度是多少个32bit（即4字节）。4位最大能表示15，所以IP头部最大长度是15×4=60字节。最小是5（即20字节，没有选项时）。

8位服务类型（Type Of Service, TOS）
包含3位优先权字段（已弃用）、4位TOS字段和1位保留字段（必须置0）。4位TOS分别表示：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小成本。这四者相互冲突，只能选一个。

• 对于SSH/Telnet这类交互式应用，最小延时比较重要。

• 对于FTP这类文件传输，最大吞吐量比较重要。

扩展：现代网络中TOS字段已被DSCP（差分服务代码点）取代，用于QoS（服务质量）控制。

16位总长度（total length）
IP数据报整体占多少个字节。最大65535字节。但实际受MTU限制，通常会分片。

16位标识（id）
唯一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。接收方靠这个字段把分片重新组装起来。

3位标志字段

• 第一位：保留（现在不用，以后可能用）。

• 第二位：置1表示禁止分片。如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文，并返回ICMP差错。

• 第三位：表示"更多分片"。如果分片了，最后一个分片置0，其他置1。类似于结束标记。

13位分片偏移（fragmentation offset）
分片相对于原始IP报文开始处的偏移。实际偏移的字节数是这个值×8。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍，否则报文就不连续了。

举例：一个4000字节的IP数据报，MTU为1500。分片后：

• 片1：偏移0，长度1480（数据部分），更多分片=1

• 片2：偏移1480/8=185，长度1480，更多分片=1

• 片3：偏移2960/8=370，长度1040，更多分片=0

8位生存时间（TTL）
数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL减1，一直减到0还没到达，就丢弃了。这个字段主要是用来防止出现路由循环。

扩展：TTL也是traceroute工具的原理。traceroute发送TTL=1、2、3...的包，每个路由器返回ICMP超时，从而画出路径。

8位协议
表示上层协议的类型。比如：

• 1：ICMP

• 6：TCP

• 17：UDP

16位头部校验和
使用CRC进行校验，来鉴别头部是否损坏。注意：只校验头部，不校验数据部分。

32位源地址和32位目标地址
表示发送端和接收端。这是IP协议最核心的信息。

选项字段
不定长，最多40字节。

网段划分：IP地址的奥秘

为什么需要网段划分？

核心原因：网络太大，必须分层定位

互联网是一个巨大的网络，连接了全球数十亿设备。如果所有设备都在同一个“平面”上，没有任何层级划分，那么：

• 路由器无法工作：路由器转发数据时，需要知道“往哪个方向发”。如果每个IP地址都是孤立的，路由器就必须记住全球每一台设备的精确位置，这根本不可能。

• 寻址效率极低：就像寄快递，如果全世界的地址都没有“省-市-区-街道”的层级，快递员每送一件包裹都要查遍全球所有地址，效率会低到无法想象。

划分IP地址，就是把地址分成“网络号”和“主机号”两部分。

• 网络号：相当于“省-市-区”，告诉路由器这个设备属于哪个大区域。

• 主机号：相当于“街道-门牌号”，告诉路由器在这个区域里具体是哪台设备。

这样，路由器只需要知道“去哪个网络号该走哪条路”，而不需要记住每一台主机。数据包先按网络号被送到正确的子网，再在子网内按主机号找到目标设备。这就是分层寻址，是互联网能够扩展到今天这个规模的基础。

IP地址分为两个部分：网络号和主机号。

• 网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识。

• 主机号：同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。

历史原因：早期“分类划分”是为了简化管理

过去曾提出把IP地址分为A、B、C、D、E五类。这种划分方式在当时是有道理的：

• A类：给超大型网络（如国家级网络），网络号少，主机号多。

• B类：给中型网络（如大学、大公司），网络号和主机号适中。

• C类：给小型网络，网络号多，主机号少。

为什么要这样分？
因为早期没有子网掩码的概念，路由器只能通过IP地址的前几位来判断网络号。分类划分让路由器可以快速识别一个IP属于哪类网络，从而决定如何转发。这是一种“用地址结构换处理速度”的设计。

现实问题：分类划分导致严重浪费

随着Internet飞速发展，这种划分方案的局限性很快显现：

• 大多数组织都申请B类地址，因为A类太大（一个子网能容纳1600多万台主机），C类太小（只能容纳254台主机），B类刚好（6万5千多台）。

• 结果B类地址很快分配完了，而A类地址却大量浪费。

• 例如，一个组织申请了B类地址，理论上能容纳6万5千多台主机，但实际网络中根本用不到这么多，大量IP地址被闲置。

这就是“划分方式不合理”带来的后果：地址利用率极低。

新方案：CIDR——更灵活的划分

针对上述问题，提出了CIDR（无类别域间路由）。它的核心思想是：

• 不再固定网络号的位数，而是引入子网掩码来灵活区分网络号和主机号。

• 网络号和主机号的划分与A类、B类、C类无关。

• 例如，140.252.20.68/24 表示前24位是网络号，后8位是主机号；而 140.252.20.68/26 则表示前26位是网络号，后6位是主机号。

• 子网掩码也是一个32位的正整数，通常用一串"0"来结尾。

• 将IP地址和子网掩码进行"按位与"操作，得到的结果就是网络号。

• 网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关。

CIDR的好处：

• 按需分配：一个公司需要1000个IP，可以分配一个/22的网段（1024个地址），而不是浪费一个B类地址（65536个地址）。

• 提高利用率：减少了地址浪费，缓解了IPv4地址枯竭的问题。

• 路由聚合：多个连续的小网段可以合并成一个大网段，减少路由表条目，提高路由器效率。

特殊的IP地址

• 网络号：将IP地址中的主机地址全部设为0，就成为了网络号，代表这个局域网。

• 广播地址：将IP地址中的主机地址全部设为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包。

• 环回地址：127.*的IP地址用于本机环回（loopback）测试，通常是127.0.0.1。

IP地址的数量限制与解决方案

IPv4地址是一个4字节32位的正整数，一共只有2的32次方个IP地址，大概是43亿左右。而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。

这意味着，一共只有43亿台主机能接入网络么？

实际上，由于一些特殊的IP地址的存在，数量远不足43亿；另外IP地址并非是按照主机台数来配置的，而是每一个网卡都需要配置一个或多个IP地址。

CIDR在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题（提高了利用率，减少了浪费，但是IP地址的绝对上限并没有增加），仍然不是很够用。这时候有三种方式来解决：

1. 动态分配IP地址：只给接入网络的设备分配IP地址。因此同一个MAC地址的设备，每次接入互联网中，得到的IP地址不一定是相同的。

2. NAT技术：网络地址转换，后面重点介绍。

3. IPv6：IPv6并不是IPv4的简单升级版。这是互不相干的两个协议，彼此并不兼容；IPv6用16字节128位来表示一个IP地址；但是目前IPv6还没有普及。

扩展：IPv6地址数量为2的128次方，理论上可以为地球上每一粒沙子分配一个IP地址。目前全球IPv6普及率在逐年提升，中国三大运营商已全面支持IPv6。

私有IP地址和公网IP地址

私有IP地址

如果一个组织内部组建局域网，IP地址只用于局域网内的通信，而不直接连到Internet上，理论上使用任意的IP地址都可以，但是RFC1918规定了用于组建局域网的私有IP地址：

• 10.*：前8位是网络号，共16,777,216个地址

• 172.16.* 到 172.31.*：前12位是网络号，共1,048,576个地址

• 192.168.*：前16位是网络号，共65,536个地址

包含在这个范围中的，都成为私有IP，其余的则称为全局IP（或公网IP）。

公网与私网的连接

关键点：

• 一个路由器可以配置两个IP地址，一个是WAN口IP，一个是LAN口IP（子网IP）。

• 路由器LAN口连接的主机，都从属于当前这个路由器的子网中。

• 不同的路由器，子网IP其实都是一样的（通常都是192.168.1.1）。子网内的主机IP地址不能重复。但是子网之间的IP地址就可以重复了。

NAT技术

每一个家用路由器，其实又作为运营商路由器的子网中的一个节点。这样的运营商路由器可能会有很多级，最外层的运营商路由器，WAN口IP就是一个公网IP了。

子网内的主机需要和外网进行通信时，路由器将IP首部中的IP地址进行替换（替换成WAN口IP），这样逐级替换，最终数据包中的IP地址成为一个公网IP。这种技术称为NAT（Network Address Translation，网络地址转换）。

如果希望我们自己实现的服务器程序，能够在公网上被访问到，就需要把程序部署在一台具有外网IP的服务器上。这样的服务器可以在阿里云/腾讯云上进行购买。

路由：一跳一跳的问路过程

路由的基本概念

路由的过程，就是这样一跳一跳（Hop by Hop）"问路"的过程。

所谓"一跳"就是数据链路层中的一个区间。具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间。

主机A到主机B的传输过程：

• 主机A发送数据给路由器A，路由器A查看目的IP，决定下一跳是路由器B。

• 路由器B再决定下一跳是路由器C，最终到达主机B。

IP数据包的传输过程也和问路一样：

• 当IP数据包到达路由器时，路由器会先查看目的IP。

• 路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器。

• 依次反复，一直到达目标IP地址。

那么如何判定当前这个数据包该发送到哪里呢？这个就依靠每个节点内部维护一个路由表。

路由表详解

路由表可以使用route命令查看。如果目的IP命中了路由表，就直接转发即可。

路由表中的最后一行，主要由下一跳地址和发送接口两部分组成，当目的地址与路由表中其它行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。

假设某主机上的网络接口配置和路由表如下：

• 这台主机有两个网络接口，一个网络接口连到192.168.10.0/24网络，另一个网络接口连到192.168.56.0/24网络。

• 路由表的Destination是目的网络地址，Genmask是子网掩码，Gateway是下一跳地址，Iface是发送接口，Flags中的U标志表示此条目有效（可以禁用某些条目），G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址，没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络，不必经路由器转发。

转发过程例1：如果要发送的数据包的目的地址是192.168.56.3

• 跟第一行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0，与第一行的目的网络地址不符。

• 再跟第二行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0，正是第二行的目的网络地址，因此从eth1接口发送出去。

• 由于192.168.56.0/24正是与eth1接口直接相连的网络，因此可以直接发到目的主机，不需要经路由器转发。

转发过程例2：如果要发送的数据包的目的地址是202.10.1.2

• 依次和路由表前几项进行对比，发现都不匹配。

• 按缺省路由条目，从eth0接口发出去，发往192.168.10.1路由器。

• 由192.168.10.1路由器根据它的路由表决定下一跳地址。

“查表”是核心决策，“下一跳”是执行动作。

路由表生成算法

路由表可以由网络管理员手动维护（静态路由），也可以通过一些算法自动生成（动态路由）。常见的动态路由算法包括：

• 距离向量算法：如RIP协议，每个路由器维护到所有目的地的距离向量，定期与邻居交换。

• 链路状态算法（LS）：如OSPF协议，每个路由器收集全网链路状态，用Dijkstra算法计算最短路径。

• Dijkstra算法：经典的最短路径算法，用于链路状态路由。

总结与复习要点

1. 网络层功能：在复杂网络环境中确定合适路径。

2. IP协议头：版本、首部长度、TOS、总长度、标识、标志、片偏移、TTL、协议、校验和、源/目的IP、选项。

3. 网段划分：网络号+主机号，CIDR用子网掩码灵活划分。

4. 特殊IP：网络号（主机全0）、广播地址（主机全1）、环回地址（127.*）。

5. IP数量限制：IPv4只有43亿地址，解决方案有动态分配、NAT、IPv6。

6. 私有IP：10.、172.16.~172.31.、192.168.。

7. NAT：路由器替换IP地址，实现私网与公网通信。

8. 路由：一跳一跳问路，依靠路由表，缺省路由兜底。

9. 路由表生成：静态路由、动态路由（距离向量、链路状态、Dijkstra）。