ISP中的网络层
# 概述
因为网络层是整个互联网的核心，因此应当让网络层尽可能简单。网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交互的数据报服务。
使用 IP 协议，可以把异构的物理网络连接起来，使得在网络层看起来好像是一个统一的网络。
与 IP 协议配套使用的还有三个协议：
- 地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol）
- 网际控制报文协议 ICMP（Internet Control Message Protocol）
- 网际组管理协议 IGMP（Internet Group Management Protocol）
# IP数据报格式
- 版本 : 有 4（IPv4）和 6（IPv6）两个值；
- 首部长度 : 占 4 位，因此最大值为 15。值为 1 表示的是 1 个 32 位字的长度，也就是 4 字节。因为固定部分长度为 20 字节，因此该值最小为 5。如果可选字段的长度不是 4 字节的整数倍，就用尾部的填充部分来填充。
- 区分服务 : 用来获得更好的服务，一般情况下不使用。
- 总长度 : 包括首部长度和数据部分长度。
- 生存时间 ：TTL，它的存在是为了防止无法交付的数据报在互联网中不断兜圈子。以路由器跳数为单位，当 TTL 为 0 时就丢弃数据报。
- 协议 ：指出携带的数据应该上交给哪个协议进行处理，例如 ICMP、TCP、UDP 等。
- 首部检验和 ：因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算检验和，因此检验和不包含数据部分可以减少计算的工作量。
- 标识 : 在数据报长度过长从而发生分片的情况下，相同数据报的不同分片具有相同的标识符。
- 片偏移 : 和标识符一起，用于发生分片的情况。片偏移的单位为 8 字节。
# IP地址编址方式
IP 地址的编址方式经历了三个历史阶段：
- 分类
- 子网划分
- 无分类
# 分类
由两部分组成，网络号和主机号，其中不同分类具有不同的网络号长度，并且是固定的。
IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 主机号 >}
# 子网划分
通过在主机号字段中拿一部分作为子网号，把两级 IP 地址划分为三级 IP 地址。
IP 地址 ::= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}
要使用子网，必须配置子网掩码。一个 B 类地址的默认子网掩码为 255.255.0.0，如果 B 类地址的子网占两个比特，那么子网掩码为 11111111 11111111 11000000 00000000，也就是 255.255.192.0。
注意，外部网络看不到子网的存在。
# 无分类编址CIDR
192.168.10.32/28 前面的数字是我们的网络地址，后面的28表示用28位来表示网络位，用32-28=4位来表示主机位。通过这种记法，我们能明确两个信息： 网络地址：192.168.10.32 子网掩码：255.255.255.240
所以，/8-/15只能用于A类网络，/16-/23可用于A类和B类网络，而/24-/30可用于A类、B类和C类网络。这就是大多数公司都使用A类网络地址的一大原因，因为它们可使用所有的子网掩码，进行网络设计时的灵活性最大。
# 子网划分常见问题
- 选定的子网掩码将创建多少个子网?
2^x个，其中x是子网掩码借用的主机位数，比如/28，主机位数为4.
比如/28，即为255.255.255.240 ，256 -192 = 64，所以子网的步长增量为64，因此子网为0、64、128和192；
- 每个子网可包含多少台主机?
(2^y)-2台，其中y是没被借用的主机位的位数。-2是因为，主机位全为0的部分是这个子网的网段号（Net_id），全为1的部分是这个网段的广播地址。
- 每个子网的广播地址是什么?
主机位全为1就是该子网的广播地址。
- 每个子网可包含哪些主机地址?
合法的主机地址位于两个子网之间，但全为0和全为1的地址除外。例如，如果子网号（网段号）为64，而广播地址为127，则合法的主机地址范围为65-126，即子网地址和广播地址之间的数字。
# 地址解析协议ARP
网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。因此在通信过程中，IP 数据报的源地址和目的地址始终不变，而 MAC 地址随着链路的改变而改变。ARP 实现由 IP 地址得到 MAC 地址。
每个主机都有一个 ARP 高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。
如果主机 A 知道主机 B 的 IP 地址，但是 ARP 高速缓存中没有该 IP 地址到 MAC 地址的映射，此时主机 A 通过广播的方式发送 ARP 请求分组，主机 B 收到该请求后会发送 ARP 响应分组给主机 A 告知其 MAC 地址，随后主机 A 向其高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。
# 网际控制报文协议ICMP
ICMP 是为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会。它封装在 IP 数据报中，但是不属于高层协议。
ICMP 报文分为差错报告报文和询问报文。
# ICMP的应用
Ping Ping 是 ICMP 的一个重要应用，主要用来测试两台主机之间的连通性。
Ping 的原理是通过向目的主机发送 ICMP Echo 请求报文，目的主机收到之后会发送 Echo 回答报文。Ping 会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率。
Traceroute Traceroute 是 ICMP 的另一个应用，用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。
Traceroute 发送的 IP 数据报封装的是无法交付的 UDP 用户数据报，并由目的主机发送终点不可达差错报告报文。