网络层详解：IP数据报、路由协议与网络地址转换-优快云博客

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本文详细介绍了网络层的功能，重点讲解了IP数据报的格式、分片，以及IPv4地址。还探讨了网络地址转换（NAT）的作用，子网划分和子网掩码的概念。此外，介绍了ARP、DHCP和ICMP协议，以及路由算法与协议，如RIP、OSPF和BGP，以及IP组播和移动IP的基本原理。

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4.1 网络层的功能

网络层是OSI参考模型中的第三层，介于传输层和数据链路层之间，它在数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到目的端，从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务。
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OSI参考模型	各层次的传输单元
应用层	报文
传输层	报文段
网络层	IP数据报，分组（如果IP数据报太大就切割成分组）
数据链路层	帧
物理层	比特

4.2 IP数据报

4.2.1 IP数据报格式

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版本（version）
占 4 位，表示 IP 协议的版本。通信双方使用的 IP 协议版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为 4，即 IPv4。
首部长度（网际报头长度IHL）
占 4 位，可表示的最大十进制数值是 15。这个字段所表示数的单位是 32 位字长（1 个 32 位字长是 4 字节）。因此，当 IP 的首部长度为 1111 时（即十进制的 15），首部长度就达到 60 字节。当 IP 分组的首部长度不是 4 字节的整数倍时，必须利用最后的填充字段加以填充。
数据部分永远在 4 字节的整数倍开始，这样在实现 IP 协议时较为方便。首部长度限制为 60 字节的缺点是，长度有时可能不够用，之所以限制长度为 60 字节，是希望用户尽量减少开销。最常用的首部长度就是 20 字节（即首部长度为 0101），这时不使用任何选项。
区分服务（tos）
也被称为服务类型，占 8 位，用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998 年 IETF 把这个字段改名为区分服务（Differentiated Services，DS）。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。
总长度（totlen）
首部和数据之和，单位为字节。总长度字段为 16 位，因此数据报的最大长度为 2^16-1=65535B。
标识（identification）
用来标识数据报，占 16 位。IP 协议在存储器中维持一个计数器。每产生一个数据报，计数器就加 1，并将此值赋给标识字段。当数据报的长度超过网络的 MTU，而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中。具有相同的标识字段值的分片报文会被重组成原来的数据报。
标志（flag）
占 3 位。标志字段最低位为MF，MF=1表示后面还有分片，MF=0表示最后一个分片；标志字段中间的一位是DF，DF=0才允许分片，DF=1禁止分片。
片偏移（offsetfrag）
占 13 位。当报文被分片后，该字段标记该分片在原报文中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。所以，除了最后一个分片，其他分片的偏移值都是 8 字节（64 位）的整数倍。
生存时间（TTL）
表示数据报在网络中的寿命，占 8 位。该字段由发出数据报的源主机设置。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在网络中传输，从而消耗网络资源。
路由器在转发数据报之前，先把 TTL 值减 1。若 TTL 值减少到 0，则丢弃这个数据报，不再转发。因此，TTL 指明数据报在网络中最多可经过多少个路由器。TTL 的最大数值为 255。若把 TTL 的初始值设为 1，则表示这个数据报只能在本局域网中传送。
协议
表示该数据报文所携带的数据所使用的协议类型，占 8 位。该字段可以方便目的主机的 IP 层知道按照什么协议来处理数据部分。不同的协议有专门不同的协议号。
例如，TCP 的协议号为 6，UDP 的协议号为 17，ICMP 的协议号为 1。
首部检验和（checksum）
用于校验数据报的首部，占 16 位。数据报每经过一个路由器，首部的字段都可能发生变化（如TTL），所以需要重新校验。而数据部分不发生变化，所以不用重新生成校验值。
源地址
表示数据报的源 IP 地址，占 32 位。
目的地址
表示数据报的目的 IP 地址，占 32 位。该字段用于校验发送是否正确。
可选字段
该字段用于一些可选的报头设置，主要用于测试、调试和安全的目的。这些选项包括严格源路由（数据报必须经过指定的路由）、网际时间戳（经过每个路由器时的时间戳记录）和安全限制。
填充
由于可选字段中的长度不是固定的，使用若干个 0 填充该字段，可以保证整个报头的长度是 32 位的整数倍。
数据部分
表示传输层的数据，如保存 TCP、UDP、ICMP 或 IGMP 的数据。数据部分的长度不固定。

4.2.2 IP数据报分片

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4.3 IPv4（Internet Protocol version 4，IPv4）

4.3.1 IPv4地址

IPv4是一种无连接的协议，操作在使用分组交换的链路层（如以太网）上。此协议会尽最大努力交付数据包，意即它不保证任何数据包均能送达目的地，也不保证所有数据包均按照正确的顺序无重复地到达。这些方面是由上层的传输协议处理的。

连接到因特网上的每台主机或路由器都分配一个 32比特 的全球唯一标识符。即 IP地址；传统的IP地址是分类的地址，分为A、B、C、D、E五类。
无论哪类IP地址，都由网络号和主机号两部分组成，即IP地址={<网络号>，<主机号>}。网络号标志主机（路由器）所连接到的网络，一个网络号在整个因特网范围内是唯一的。 主机号标志该主机（路由器），一台主机号在它面前的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。