1 引入原因

数据链路层传输问题：由于交换机路由器的数据链路层表是【MAC地址，转发硬件接口】，所以无法传入跨路由器或者交换机的数据，所以还需要继续向上抽象——网络层；

2 IP数据报

• 版本号：4位，IPv4或IPv6；
• 首部长度：4位，单位是“32位”，就是我这个IP数据报的首部是多少个32位，最大（2^4-1）×32位=15
  
  4
  
  8位=60字节；
• 服务类型：过程字段、延迟字段、流量字段、可靠性字段等等，不关心；
• 总长度：IP数据报的总长度，最大长度为65535字节，由于数据链路层最长1500个字节，所以如果一个IP数据包超长了，就需要对其进行分片；
• 标识：每一个IP封包都有一个16位的唯一识别码，超长分片组合的时候用；
• 标志位：能否分片，标识分片相关；
• 片偏移：分片后重组时候需要按照顺序来拼接；
• 生存时间(Time To Live,TTL)：生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数,表示数据包在网络上生存多久｡每经过路由器就减一，为0就丢弃；避免无限传输；
• 协议：表明数据是按照什么协议编码的，TCP、UDP、ICMP、IGMP、OSPF、IP（可以封装IP数据报）；
• 首部校验和：校验首部是否出错；
• 源IP地址：32位；
• 目的地址：32位；
• 选项(Options)+填充(Padding)：这两个选项较少使用,只有某些特殊的封包需要特定的控制才会利用到｡共32位｡这些选项通常包括:安全和处理限制、记录路径、时间戳、宽松的源；
• 数据：按照协议字段定义的数据内容；

3 ARP协议

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。沟通IP层和数据链路层。

路由器ARP缓存表需要维护一张地址表【IP地址，MAC地址】；

当路由器转发IP数据查表发现没有MAC地址时，向直连的网络设备广播“某某的IP地址是多少？”匹配的设备回复数据报，携带自己的IP地址和MAC地址。

4 子网划分

4.1 私有IP

• A: 10.0.0.0~10.255.255.255 即10.0.0.0/8
• B:172.16.0.0~172.31.255.255即172.16.0.0/12
• C:192.168.0.0~192.168.255.255 即192.168.0.0/16

私有IP数据包不会转发到公网上去；

4.2 划分

• 一般使用会将IP地址分为网络号+主机号，用子网掩码来处理；
• 主机号全0，表示当前网络段，不可以分配特定主机；
• 主机号全1，表示广播，不可以分配特定主机；
• 全0的网络号表示特殊网络；
• 127.0.0.1 通常被用作本地回环地址，测试本地网络；

5 NAT

NAT（Network Address Translation，网络地址转换），多个主机通过一个公有IP访问公网资源；

多个私有地址访问互联网资源时，安装有NAT服务的路由器会自动转换自己的源地址为公网的，当接收到数据包时，自己又重新封装成私有的进行转发到私有网络；

6 ICMP

ICMP（Internet Control Message Protocol）Internet控制报文协议。

ICMP协议可以报告错误信息或者异常情况；ICMP报文是封装在IP数据报的数据部分；

• Ping应用：测试IP连通性；
• traceroute 应用：数据包走的路径；

7 路由表相关

7.1 路由表

计算机和路由器需要维护一个路由表：【目的IP地址，下一跳IP地址】；

7.2 内部网关协议RIP协议

每一个节点使用两个向量D和S，D描述当前节点到别的节点的距离，S描述当前节点到别的节点的下一个节点；RIP协议就是每一个节点都维护这样的一个向量，就得到了路由表；

7.3 内部网关协议OSPF协议

OSPF(Open Shortest Path First开放式最短路径优先）；核心是使用迪杰斯特拉算法求最短路径；

7.4 外部网关协议BGP协议

边界网关协议（BGP）是运行于 TCP 上的一种自治系统的路由协议。互联网规模太大了，如果还是使用内部网关协议，那么数据量和计算量将会是巨大的。BGP不要求找到最好的一条路由，能找到比较好的一条路由即可；

8 总结

一个路由器需要维护三个表：

• IP层，路由表【目的ip地址，下一条地址】：通过内外网关协议来实现；
• IP层，地址映射表【直连的IP地址，直连的MAC地址】：通过ARP协议来实现；
• 数据链路层，【MAC地址，转发物理端口】通过广播来实现；