网络层提供路由和寻址的功能，使两个终端系统能够互联且决定最佳路径，并具有一定的拥塞控制和流量控制能力。
TCP/IP协议体系中的网络层功能由IP协议规定和实现，故又称IP层。
网络层介于运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，从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。
- IP协议基本概念
IP协议是TCP/IP协议簇中的核心协议，也是TCP/IP的载体。所有的TCP、UDP数据都以IP数据包格式传输。
IP提供不可靠的、无连接的数据传送服务。
基本概念：
（1）主机：配有IP地址，但是不进行路由控制的设备；
（2）路由器：既配有IP地址，又能进行路由控制，用来连接两个不同的网络；
（3）节点：主机和路由器的统称。
- IP协议头格式
4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4来说就是4；
4位头部长度：IP头部的长度就是多少个32bit，也就是length*4的字节数。4bit表示最大的数字是15，因此IP头部最大长度为60字节；
8位服务类型：3位优先权字段（已经弃用），4位TOS字段和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。
16位总长度：IP数据报整体占多少个字节，即头部+有效载荷；
16位标识（id）：唯一的标识主机发送的报文。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的这个id都是相同的。
3位标志字段：第一位保留（即现在不用，但说不定以后要用到）；第二位置为1，表示禁止分片，此时若报文长度超过MTU（最大传输单元），IP模块就会丢弃报文；第三位表示“更多分片”，若分片了的话，最后一个分片置为1，其他为0，类似于一个结束标记。
13位分片偏移：分片相对于原始报文开始处的偏移。其实就是在表示当前分片在原报文中处于哪个位置。实际偏移的字节数是这个值*8得到的。因此，除了最后一个报文之外，其他报文的长度必须是8的整数倍（否则报文就不连续了）。
8位生存时间（TTL）：数据报到达目的地的最大报文跳数，一般为64。每次经过一个路由，TTL -= 1，一直减到0还未到达，就被丢弃。这个字段主要是用来防止出现路由循环。
8位协议：表示上层协议的类型。
16位头部校验和：使用CRC（循环校验）进行校验，来鉴别头部是否损坏。
32位源地址和32位目的地址：表示发送端和接收端。
选项字段：可变长字段，最多为40字节。该字段主要用于测试，由起源设备根据需要改写。
注：
（1）IP数据报可能产生分片问题；
（2）分片时，将数据报的有效载荷分为若干部分，然后给各部分都加上报头信息；
（3）按片偏移排序将分片的报文去掉报头进行排序，若其中某个分片部分丢失，则将整个报文丢弃，然后进行重传。
- 网段划分
网段划分的必要性：查找方便，特别是对特定主机的查找。
IP地址分为两个部分：
（1）网络号：保证相互连接的两个网段具有不同的标识；
（2）主机号：同一网段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。
不同的子网其实就是将网络号相同的主机放在一起。
如果在子网中新增一台主机，则这台主机的网络号和这个子网的网络号一致，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是一件相当麻烦的事情，所以引入了一种名为DHCP的技术，能够自动的给子网内新增主机节点分配IP地址，避免了手动管理IP的不便。
一般的路由器都带有DHCP功能。因此路由器也可以看作一个DHCP服务器。
现在我们使用的划分网络号和主机号的方案名为CIDR，即无类别域间路由选择。具体内容为：
（1）引入一个额外的子网掩码（subnet mask）来区分网络号和主机号；
（2）子网掩码也是一个32位的正整数，通常用一串“0”来结尾；
（3）将IP地址和子网掩码进行“按位与”操作，得到的结果就是网络号；
（4）网络号和主机号的划分与这个IP地址是A类、B类还是C类无关。
举个例子：
可见，IP地址与子网掩码做与远算可以得到网络号，主机号从全0到全1就是子网的地址范围。
一个子网最多接入254个IP地址。
IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法，例如140.252.20.68/24，表示IP地址为140.252.20.68，子网掩码的高24位是1，也就是255.255.255.0。
- 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，代表这个局域网。
将IP地址中的主机地址全部设为1，就成为了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包。
127.* 的IP地址用于本地环回测试，通常是127.0.0.1。
- IP地址的数量限制
我们知道，IP地址（IPv4）是一个4字节32位的正整数，那么一共只有2的32次方个IP地址。而TCP/IP协议规定，每个主机都需要有一个IP地址。这就意味着，一共只有43亿台主机能够接入网络。实际上，由于一些特殊的IP地址的存在数量远远不足43亿。另外IP地址并非是按照主机台数来配置的，而是每一个网卡都需要配置一个或多个IP地址。
CIDR提高了利用率，减少了浪费，在一定程度上缓解了IP地址不够用的问题，但是IP地址的绝对上限并没有增加，仍然不是很够用。这时有三种方式来解决：
（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技术，即应用程序级网关技术。
（3）IPv6：IPv6并不是IPv4的简单升级版，这是互不相干的两个协议，彼此并不兼容。IPv6用16字节128位来表示一个IP地址，但目前IPv6还未普及。
- 私有IP地址和公网IP地址
如果一个组织内部组建局域网，IP地址只用于局域网内的通信，而不直接连到Internet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：
（1）10.* ，前8位是网络号，共16777216个地址；
（2）172.16. 到 172.31. ，前12位是网络号，共1048576个地址；
（3）192.168.* ，前16位是网络号，共65536个地址。包含在这个范围中的，都成为私有IP，其余的则称为全局IP或公网IP。
一个路由器可以配置两个IP地址，一个是WAN口IP，一个是LAN口IP（子网IP）。
路由器LAN口连接的主机，都从属于当前这个路由器的子网中。
不同的路由器，子网IP其实都是一样的，通常都是192.168.1.1。子网中的主机IP地址不能重复，但是子网之间的IP地址就可以重复。
子网中的主机需要和外网进行通信时，路由器将IP首部中的IP地址进行替换，替换成WAN口IP，这样逐级替换，最终数据包中的IP地址成为一个公网IP，这种技术称为NAT，即网络地址转换。
- 路由
路由就是在复杂的网络结构中，找出一条通往终点的路线。
路由的过程，就是一跳一挑“问路”的过程。所谓的“一跳”就是数据链路层中的一个区间。具体在以太网中指从源Mac地址到目的Mac地址之间的帧传输区间。
基于一个已经确立的路由表进行查找时，问一个路由器线路有3种情况（路由器的转发规则）：
（1）知道，但不能直接到达，告诉下一跳在哪；
（2）不知道，问默认路由器；
（3）此路由器与目标网络直接相连。
IP数据包的传输过程也和问路一样。当IP数据包到达路由器时，路由器会先查看目的IP；路由器决定这个数据包是能直接发送给目标主机，还是需要发送给下一个路由器；依次反复，一直到达目标IP地址。
如何判定当前这个数据包该发送到哪里，就依靠每个节点内部维护一个路由表。
IP是整个互联网的基础，它屏蔽了底层的差异。
路由表可使用route命令查看：
路由表的Destination是目的网络地址，Genmask是子网掩码，Gateway是下一跳地址，Iface是发送接口，Flags中的U标志表示此条目有效，G标志表示此条目的下一跳地址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。
如果目的IP命中了路由表，就直接转发即可。
路由表中的最后一行，主要由下一跳地址和发送接口两部分组成，当目的地址与路由表中其他行都不匹配时，就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。