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网络层主要作用是实现不同局域网之间的通信连接，并为数据在复杂网络环境中的传输提供路径选择和逻辑寻址能力。
1 IP 协议
先介绍一下在网络通信中，主机、路由器、节点的概念。
主机：配有 IP 地址但是不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：在网络通信中，由多个主机和路由器构成了复杂的拓扑结构，其中主机和路由器就是该网络拓扑结构中一个一个的节点。
如下图所示，主机 B 要将数据传输到主机 C 需要经过多个路由器，主机 B 到主机 C 之间所经过的路由器构成一条路径，如何选择这条路径就是 IP 协议需要做的主要工作。
1.1 IP 协议格式
（1）4 位版本号（version）：指定 IP 协议的版本，目前有 IPv4 和 IPv6，主流还是使用的 IPv4。对于 IPv4 来说，该字段为 4。
（2）4 位首部长度（header length）： 表示该 IP 报文头部有多少个 4 字节的字段。因为只有 4 位，所以最大表示为 15，其中前 20 字节是必须有的，所以 IP 头部的大小范围为[20, 15*4 = 60] 字节。
（3）8 位服务类型（Type Of Service）：3 位优先权字段（已经弃用），4 位 TOS 字段以及 1 位保留字段（必须置为 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, 只能选择一个。对于 ssh/telnet 这样的应用程序, 最小延时比较重要；对于 ftp 这样的程序，最大吞吐量比较重要。
（4）16 位总长度（total length）：IP 数据报整体占多少个字节。
（5）16 位标识（id）：用于标识主机发送报文的唯一性。如果上层协议（TCP/UDP）报文过大，超过了 MTU（最大传输单元），在被封装在 IP 数据报中时，会将上层报文分成若干个 IP 数据报，16 位标识用于标识该 IP 报文属于哪一个上层数据报。
（6）3 位标志字段：第一位保留，目前不使用；第二位为 1 表示禁止分片，这时候如果报文长度超过 MTU，IP 模块就会丢弃报文。第三位表示“更多分片”，当置 0 时，表示该 IP 数据报为最后一个分片，其他情况置为 1，类似一个结束标记。
（7）13 位分片偏移（framegament offset）：该字段表示的是分片相对于原始 IP 报文开始处的偏移。用于表示当前分片在原报文的哪个位置，实际偏移的字节数是该字段 * 8，因此，除了最后一个分片，其他分片的长度必须是 8 的整数倍。
（8）8 位生存时间（Time To Live，TTL）：数据报到达目标主机的最大跳跃节点数。一般是 64，每经过一个路由器，TTL 减 1，减到 0 还没到达，则丢弃报文。这个字段主要是用来防止出现路由循环的情况。
（9）8 位协议字段：表示上层的协议类型。
（10）16 位首部校验和：使用 CRC 进行校验，来鉴别头部是否损坏。
（11）32 位源地址和 32 位目标地址：表示发送端和接收端的 IP 地址。
（12）选项字段：不定长，最多 40 字节，此处不作介绍。
2. 网段划分
2.1 网络号和主机号
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（子网）具有不同的标识。
主机号：同一个网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。
如上图所示，上半张图主机的 IP 地址前半部分都是 192.168.128，叫做该网段的网络号（网络标识），表示这些主机属于同一个子网中， 在该子网中增加主机，则这台主机的网络号和该子网的其他主机网络号一致，但是主机号必须不能和子网中的其他主机重复。
通过合理设置主机号和网络号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的 IP 地址都不相同。手动管理子网内的 IP 是一个相当麻烦的事情。
有一种叫做 DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议），是一种基于 UDP 的应用层协议，主要是用于自动为网络中的设备分配 IP 地址及相关网络参数，避免手动配置的繁琐和地址冲突问题。通常由路由器或专用服务器担任。
当一台主机接入网络之后，使用该技术使其自动获取 IP，断开网络之后 IP 地址可回收再利用。
2.2 传统 IP 地址分类和 CIDR 技术
传统的 IP 地址分类方案是一种划分网络号和主机号的方案，把所有 IP 地址分为五类。
A 类 0.0.0.0 到 127.255.255.255
B 类 128.0.0.0 到 191.255.255.255
C 类 192.0.0.0 到 223.255.255.255
D 类 224.0.0.0 到 239.255.255.255
E 类 240.0.0.0 到 247.255.255.255
IP 地址在全球范围中是唯一的，上述的 IP 分类的本质就是规定一个 IP 地址多少位为网络号，多少位为主机号。但是这种方案有其局限性。
例如申请一个 B 类地址（网络号相同的子网）子网，其在该子网中可以允许有 65000+（16位主机号） 台主机，A 类地址的子网内允许存在的主机数量会更多。
但是在实际的网络架设中，不会存在一个子网内有这么多的情况，因此，一个子网中有大量的 IP 地址被浪费。
针对这种情况提出了新的划分方案，叫做 CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类域间路由）。
CIDR 是通过可变长度的子网掩码（VLSM）实现 IP 地址的灵活分配，并支持路由聚合（Route Aggregation）减少路由表条目。
用 “IP 地址 / 掩码长度”（如 192.168.1.0 /24）表示 IP 地址，掩码长度 n 表示该 IP 地址的前 n 位为网络号，后面的位为主机号。CIDR 支持任意长度的子网掩码（1 ~ 31位），灵活配置不同规模的网络。
如上图例 1 所示，IP 地址为 140.252.20.68，子网掩码为 255.255.255.0，那么将 IP 地址和子网掩码进行与运算，得到的结果就是网络号（网络号的长度和子网掩码一样）140.252.20.0，则该子网的网络地址为 140.252.20.0 ~ 140.252.20.255，该返回的 IP 地址都表示是该子网中的主机，该子网的网络规模就是 254（第一个和最后一个有特殊用途） 台主机。
如例 2 所示，子网掩码为 140.252.20.240，用 16进制表示就是 FF FF FF F0，则用前 28 位作为网络号，则该子网的规模就是 14 台主机。
2.3 特殊的 IP 地址
将 IP 地址中的主机地址全部设为 0，就成为了网络号，代表该局域网（子网）。
将 IP 地址中的主机地址全部设为 1，就成为了广布地址，用于给同一个链路（子网）中相互连接的所有主机发送数据包。
127.* 的 IP 地址用于本机环回（loop back）测试，通常是 127.0.0.1。
2.4 IP 地址的数量限制
IP 地址（IPv4）是一个 4 字节 32 的正整数。那么可以表示的 IP 地址大约 43 亿，而 TCP/IP 协议规定，每个主机都需要一个 IP 地址。那么全球一共最多只能有 43 亿的设备接入网络吗？答案是否定的。
CIDR 技术只是提高了 IP 地址的利用率（减少 IP 地址的浪费），并没有对 IP 地址的绝对数量进行增加，所以 IP 地址对于现在的网络环境来说是不够用的，那么就诞生了三种方法来解决。
（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（Net Address Translation，网络地址转换） 技术：后续进行介绍。
（3）IPv6：IPv6 并不是 IPv4 的升级版，这是两个互不相干的协议，彼此不兼容，IPv6 用 16 个字节 128 位来表示一个 IP 地址，但是目前 IPv6还没有普及。
2.5 私有 IP 和公网 IP
如果一个组织（公司、学校等）组建局域网，IP 地址只用于局域网内的通信，而不是直接连到公网上，理论上使用任意的 IP 地址都可以，但是 RFC 1918 规定了用于组建局域网的私有 IP地址只能是以下三种：
（1）10.*：前 8 位是网络号，共 16,777,216 个地址。
（2）172.16.* 到 172.31.*：前 12 位是网络号，共 1,048,576 个地址。
（3）192.168.*：前 16 位是网络号，共 65536 个地址。
在上述范围中的 IP 地址都称为私有 IP，其余的都为公网 IP。 所以在全球范围中，IP 地址分为两个部分，一部分为私有 IP，一部分为 公网 IP，私有 IP 可以重复，公网 IP 不可以重复。
如上图所示，全球的网络就是由一个一个子网嵌套式的组成在一起，最后通过一个路由器连入广域网中（公网）。
路由器有两个主要的功能，一是进行地址转换，二是构建子网。
一个路由器可以配置两个 IP 地址，一个是 LAN 口 IP（子网 IP），一个是 WAN 口 IP（上级网络 IP）。
一般家用的主机，都是通过网线连在路由器的 LAN 口上，这表示这个主机属于该路由器构建的子网当中。
在路由器构建的子网当中，路由器的子网 IP 通常都是 192.168.1.1，子网内的主机 IP 地址不能重复，且网络号都为 192.168.0.0。但是不在同一子网的主机 IP 地址可以重复。
每一个路由器在网络中叫做一个节点，运营商就可以将这些节点分成很多层级，最外层的路由器叫做进出口路由器，WAN 口 IP 就是一个公网 IP。
子网内的主机需要和外部网络进行通信时，路由器将 IP 协议首部中 IP 地址进行替换（将 LAN 口 IP 替换为 WAN 口 IP），这样逐级替换，最终内网发出的数据包中的 IP 地址就被替换成了一个公网 IP ，这种技术成为 NAT（网络地址转换）。
如果想要将自己实现的服务器程序在公网上被访问到，就需要把服务器程序部署在一台具有 公网 IP 的服务器上，这样的服务器可以在阿里云/华为云等云服务器厂商进行购买。
3. 路由
路由：网络设备（路由器等）根据数据包的目标 IP 地址，查询路由表并选择最优路径转发数据的过程。其本质时解决数据包从哪来到哪去的路径规划问题。
如上图，路由的过程就是一跳一跳问路的过程，所谓的“一跳”具体就是在以太网中从源 MAC 地址到目的 MAC 地址之间的数据帧传输区间。
当一个数据帧到达路由器时，路由器会对其进行解包，提取其中的 IP 数据包，路由器先查看目的 IP，判断该数据包时直接发给子网中的目标主机，还是发给子网外的主机。如果是发送给子网外的主机时，路由器替换其中的源 IP 地址，然后封装成数据帧发送给外部网络。
路由表可以使用 route 命令查看。
如上图，这台主机有两个网络接口，一个网络接口连接到 192.168.10.0/24 网络，另一个网络接口连接到 192.168.56.0/24 网络。
Destination 是目的网络地址，Genmask 是子网掩码，Getway 是下一条地址， Iface 是发送接口。U 标志表示此条目有效，G 标志标识此条目的下一跳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，不必经过路由器转发。
（1）转发过程例1：发送的数据包的目的地址是 192.168.56.3
将目的 IP 依次从上到下与子网掩码进行运算。跟第一行子网掩码运算得到 192.168.56.0，与第一行的目的网络地址不符合，再跟第二行子网掩码运算得到 192.168.56.0，和第二行的目的网络相符，因此数据包从 eth1 接口发送出去。由于 192.168.56.0/24 网络通过 eth1 接口与主机直接相连，因此可以直接发送到目的主机，不需要路由器转发。
（2）转发过程例2：发送的数据报的目的地址是 202.10.1.2
依旧将目的 IP 从上到下与子网掩码运算之后与目的网络进行匹配，这时发现与前 3 个条目都不符合，就按缺省条目（default）从 eth0 接口发出去，发往 192.168.10.1（构建 192.168.10.0/24 子网的路由器），然后由 IP 地址为 192.168.10.1 路由器根据它的路由表决定下一跳地址。