网络层主要的任务是实现网络互连，进而实现数据包在各网络之间的传输。一个消息报文，是如何在网络层通过源ip发送至目标ip的。为了搞清楚网络层的ip协议，我们需要先了解以下问题：
1、网络层向运输层提供怎样的服务（可靠传输还是不可靠传输）
2、网络寻址问题
3、路由选择问题
网络层提供的服务
面向连接的虚电路服务
虚电路服务需要在网络层建立连接，在网络层级别就保证通信的可靠性，确保分组不丢失不重复。在双方通信前，需要建立虚电路的逻辑连接，双方沿着已经建立的虚电路发送分组，每次传递消息，只需要指明虚电路的编号，通信结束后，需要释放之前建立的虚电路。
很多广域分组交换网都使用面向连接的虚电路服务。例如，曾经的X.25和逐渐过时的帧中继FR、异步传输模式ATM等。
无连接的数据报服务
在该模式下，不需要建立网络层的连接，也不保证可靠通信（分组可能丢失，乱序），所有的数据分组可以通过不同的路径达到目标主机。
由于网络层不保证连接和可靠性，所有的这些都需要由上层来保证。
因特网采用了这种设计思想，也就是将复杂的网络处理功能置于因特网的边缘(用户主机和其内部的传输层)，而将相对简单的尽最大努力的分组交付功能置于因特网核心。
网络寻址
在五层体系下，ip是网络层最基本的协议。ip就相当于互联网中的一个门牌号，它具有唯一性，有了ip地址，我们就能区别于接入互联网的所有主机。进行端到端之间的通信。
IPv4地址就是给因特网(Internet)， 上的每一台主机(或路由器)的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32比特的标识符。
IPv4地址的编址方法经历了如下三个历史阶段:
分类编址
ipv4网络被分成五类，由网络号和主机号组成。当一个公司需要申请接入网络，会根据公司内需要接入网络的主机数量，选择申请A类地址或者B、C类地址。
主机号位数对应的组合数，为网络中可分配的主机数量（排除全0和全1）。
随着公司的发展壮大，出现了好多子公司。公司想再申请一个网络号，需要等待很久，还需要额外的费用。但是公司原来的主机号24位，还能容纳很多新接入的主机。是不是能从主机号借出几位来，切分出多个网络呢？
划分子网
当一个网络号需要从主机号借出几位，来进行网络号的再划分。于是子网掩码的概念就出现了。
比如C类网络子网掩码默认255.255.255.0，我们需要从主机号划出一位做子网号，那么子网掩码就是255.255.255.128，能划分出两个子网。每个子网可分配的主机就少了，变成了126。
无分类编址
由于划分子网仍然会产生地址的浪费，于是英特网工程组采用了更先进的无分类路由选择CIDR(Classless Inter-Domain Routing)，废弃了ABC类分类和子网掩码，让网络号的划分变得更加灵活。
路由选择
有了ip地址，相当于网络中，每台接入的主机有了门牌号。但是邮递员在每家每户间派发信件，有这么多个叉路该选择哪条道路呢？
这里有一个路由表的概念，每个路由器，都会维护一张路由表，数据经过路由器，路由器会解封装数据报，读取目标ip，并且比对路由表，需要从哪个端口进行转发。
那么路由表又是怎么来的呢？
静态路由配置
路由表可以通过网络管理员静态配置，该方案只适用于小规模网络。改方案不能快速的响应新的网络结构以及关系的变化，并且配置错误还有可能导致环路的问题。
动态路由配置
整个因特网被划分为许多较小的自治系统AS(Autonomous System)
我们需要着重关心的，就是自治系统内部的路由表，是如何自动生成的。
RIP
路由信息协议**RIP(Routing Information Protocol)**是内部网关协议IGP中最先得到广泛使用的协议。
RIP使用跳数(Hop Count)作为度量(Metric)来衡量到达目的网络的距离。
路由器到直连网络的距离定义为1。 路由器到非直连网络的距离定义为所经过的路由器数加1。 允许一条路径最多只能包含15个路由器。“距离”等于1 6时相当于不可达。
因此，RIP只适用于小型互联网。
RIP的基本工作过程
①路由器刚开始工作时，只知道自己到直连网络的距离为1.
②每个路由器仅和相邻路由器周期性地交换并更新路由信
③若干次交换和更新后,每个路由器都知道到达本AS内各网络的最短距离和下一跳地址，称为收敛。
RIP认为最好的路由就是跳数最少的路由，不会考虑到网络的带宽和时延。
OSPF
开放最短路径优先OSPF(Open Shortest Path First),是为克服RIP的缺点在1989年开发出来的。
OSPF是基于链路状态的，而不像RIP那样是基于距离向量的。 OSPF采用SPF算法计算路由，从算法上保证了不会产生路由环路。 OSPF不限制网络规模，更新效率高，收敛速度快。
链路状态是指本路由器都和哪些路由器相邻，以及相应链路的“代价”(cost)。"代价"用来表示费用、距离、时延、带宽，等等。这些都由网络管理人员来决定。
基本工作原理：
使用OSPF的每个路由器都会产生链路状态通告LSA(Link State Advertisement)。LSA中包含以下内容:
直连网络的链路状态信息 邻居路由器的链路状态信息 LSA被封装在链路状态更新分组LSU中，采用洪泛法发送。
使用OSPF的每个路由器都有一个链路状态数据库LSDB,用于存储LSA，形成带权有向图，采用基于Dijkstra的SPF算法算出最短路径。
数据报
ip数据报的头部组成如下：
其中黄色部分用于分片，为什么要分片？由于链路层以太网规定了最大的传输单元MTU1500字节，ip数据超出的部分需要进行分片。
生存时间：防止数据报在网络中迷路，或者形成环路。每经过一跳路由器TTL减一，为0就丢弃该数据报。
校验和：网络层ip协议不提供可靠传输，校验和只是用于首部数据的校验，防止首部传输出错的情况下。由于首部生存时间会一直变，每个路由器都得重新生成新的校验和，很耗时。IPV6中不再计算首部校验和。
网际控制报文协议ICMP
为了更有效地转发IP数据报和提高交付成功的机会,在网际层使用了网际控制报文协议**ICMP(Internet Control Message Protocol)**。主机或路由器使用ICMP来发送差错报告报文和询问报文。ICMP报文被封装在IP数据报中发送。
ICMP差错报告报文：
终点不可达 源点抑制 时间超过 参数问题 改变路由(重定向)
ICMP询问报文：
回送请求和回答 时间戳请求和回答
来看看ICMP报文的应用
PING
用来测试主机或路由器间的连通性 应用层直接使用网际层的ICMP (没有通过运输层的TCP或UDP) 使用ICMP回送请求和回答报文
TRACERT
用来测试IP数据报从源主机到达目的主机要经过哪些路由器 使用了ICMP回送请求和回答报文以及差错报告报文
原理是，通过不断的发送TTL从1开始一直增加到2，3，4一直到请求到目标主机为止。这样路径上每一跳的路由器都会返回TTL耗尽的差错报告报文。这样就能知道联通路径上的所有路由器了。
