网络层的出现也是网络发展的结果。当数据通信需要跨越网段并且有多个通信路径可供选择时，这就产生了如何连接任意两台主机进行远距离数据传输的问题。网络层的IP协议很好地解决了这个问题。这里需要先了解IP协议和IP数据单元的格式，然后再分析IP协议的工作原理。1. IP协议

IP协议（Internet Protocol，网际协议）是互联网互连协议。 IP 协议是一组应遵循的约定或规则，以使所有连接到Internet 的计算机能够相互通信。这套规则保证了跨网连接、跨网寻址、跨网数据转发等功能的实现。因此，它是网络层中最重要的协议。它与TCP 协议一起构成了TCP/IP 协议族的核心。 IP协议在网络层提供无连接、不可靠的数据传输服务。

什么是无连接、不可靠的数据传输？

在网络层传输IP数据包就像我们日常生活中在邮局发送的普通信件一样。每一封普通信件都有一个明确的目的地地址。普通信件在传输过程中的路径可能会有所不同。途中普通信件不保；寄件人和收件人之间没有直接的限制关系（理解为断开连接），如果平信在传输过程中丢失（理解为不可靠），邮局概不负责。也就是说，IP数据包在网络传输过程中，发送端网络层和接收端网络层之间不需要建立连接，发送端网络层也不需要建立连接。关心IP数据包是否发送到接收端的网络层。2. IP数据单元格式

IP协议的数据单元也很复杂，如图4-14所示。 IP协议头主要由12个字段组成，从传输层传下来的数据单元构成了网络层的IP数据报，也称为IP包。 IP协议头的组成，每行32位，各字段含义解释如下。版本（Version）:是指IP协议版本号，目前是4，是指IPv4a头的长度（Internet Header Length，IH L）:是指IF协议头的长度，有4个B为一个单位，最小值为5，即最小的IP协议头有20个字节（没有选项时）。

服务类型（TOS）:由8位组成，不同位置的位设置可以代表不同的服务类型。有数据优先级（现在忽略）、低延迟、高吞吐量、高可靠性和最低费用等类型的服务，否则就是一般服务。

总长度（Total Length，TL）:是指整个中频包的长度，在B中。利用协议头的长度和总长度，可以知道中频包中数据的起始位置和长度.

标识（Identification） : 标识主机发送的每个中频数据包的代码（ID），占16位。通常，每发送一个IP 数据包，其值都会增加1。

中频报文是网络层传输的数据单元，不同的网络类型在链路层具有最大传输单元（MTU）限制的特点。比如以太网的MTU是1500B，这个1500B就是网络层的IP协议数据单元。最大值。如果IP包的总长度超过MTU，网络层会对IF包进行分片，使每个包的长度小于等于MTU。此时，IF包被分片后，16位的标识符会被复制到每个分片中。在接收端，数据报分片重组的依据就是这个ID。

R: 保留未使用。

DF(Don't Fragment) : IP包未分片标志，占1位。值为1 表示网络层不会对IP 数据包进行分段。

MF(More Fragment) : 报纸标志。值为0 表示当前数据报是最后一块；值为1 表示它不是最后一块，以后还会有其他块。

分片偏移量（Fragment Offset，FO） : 分片偏移原始数据报开头的位置。偏移字节数是偏移值乘以8。

另外，当IP包被分片时，需要将每个分片的总长度值改为分片的长度值。接收端收到最后一个分片，根据其长度和分片偏移量计算出数据报的总长度，并与所有到达分片的长度之和进行比较，判断分片的完整性，然后重新组装。

Time To Live (TTL) : 设置了IP数据包最多可以通过的路由器数量（TTL的单位请参考第十一章问题4-5的解释）。 TTL的初始值由源主机设置，经过路由器后减1。当该字段的值为0时，IP包被路由器丢弃，并发送ICMP报文通知源主机。

协议（Protocol，PROT） : 表示上层的协议类型。具体指TCP或UDP的协议编码。

包头校验和（Header checksum） :是根据IP协议包头计算的“校验和”码。如果“校验和”错误，则丢弃IP 数据包，但不会生成错误消息。重传控制将由传输层控制，以检测丢弃的数据报并重传它们。

源IP地址： 每个Ip包必须包含发送方的

源IP地址，是一个32bit的值。

目的IP地址:每个IP包也都需要包含接收端的IP地址，也是一个32bit的值。

可选字段(Options):一个可变长的选项，用于安全、调试等，也为以后扩展或升级之用(该字段的应用请参见第11章问题4-6解释)。

填充(Padding):在必要时插人一定的填充字节，以确保IP协议头始终是32bit的整数倍。

数据:是传输层提交下来的协议数据单元。

从IP包的协议头可知，IP协议头的大小有两种:当没有“选项”这个域时，为160位即20个字节;当有“选项”域时，为192位即24个字节。

3. IP协议的工作原理

IP是怎样实现网络互联的?

早期各公司的网络系统不能互通，也不能互连。原因是它们在各自网络中所传送的数据基本单元(即数据帧)的格式不同。有了IP协议，不同的网络系统实现了互联。可以这样理解lip协议就是一套由程序构成的协议软件，它把各种不同的“数据帧”统一转换成“IP包”格式，实现在互联网上的传送。这种转换是Internet的一个最重要的特点，它使异种网络的计算机系统也能在Internet上实现相互通信，也使Internet具有了真正意义上的“开放性”特征。

那么，"IP包"是什么?

由IP数据单元格式的构成可见，IP包就是一个无连接的，并且是独立的数据传输单元，它携带了数据来自哪里，以及将要送到哪里等明确的标识(即IP地址)。这样，IP包在网络间传送时，就不需要一定先建立一条数据通道，而是每个IP包都可经由不同的传输路径独立地向目的地传送。

【举例】如图4-15所示，IP协议的基本工作原理分析。当通信两端(主机A和主机B)位于不同的网络时，数据的传送需要经由路由器跨网传递。发送端A只需将IP包(需要分片时先分片处理)交给第一路由器RI即可。路由器R1根据IP包携带的目的标识，进行路径选择并转发给下一路由器(R2或R3).下一路由器再转发到其下一路由器R4,路由器R4最后将IP包传送到目的主机。在目的主机B端，收到IP包后进行协议头校验和检验，将检验失败的IP包.直接丢弃(不会向发送端回送任何差错报文);将校验无误的IP包提取数据报数据直接交给上层传输层。
由此可见，在网络层IP包的传送不仅是无连接的，而且目的端IP包的到达是无序的，并且是不可靠的。

4.网络层其他协议

在网络层，除了非常重要的IP协议之外，还有两个比较重要的协议在此简单介绍如下。

1)ICMP协议

ICMP(Internet Control Message Protocollnternet，网际控制消息协议)是TCP/IP协议族的一个子协议，主要用于在主机、路由器之间传递控制信息。这些控制消息是指网络本身的消息，如网络是否通畅、主机是否可达、路由是否可用、IP包路由传送已超过“生存时间”等，还包括报告错误、交换受限等控制和状态信息.这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。

在网络应用中，我们经常会得到ICMP提供的消息，只不过常常被忽略了而已。如某主机处于关闭或维护状态，不提供网络服务时，ICMP就可以对发起的TCP连接给出一个终止(Destination Unreachable)通告，告知主机不可达。又如我们在检查网络是否通畅时，常常使用ping命令，这个命令就是一项基于ICMP协议的应用，ping命令返回的信息均是由ICMP协议提供的报告。

2) ARP协议

ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议)用于通过主机的网络地址(即32位的IP地址)解析出该主机的物理地址(即48位的MAC地址)。

在Internet网中，网络层之下是网络访问层，其对应于局域网的数据链路层和物理层。在数据链路层中，数据通信是以“数据帧”为传输单位，而“数据帧”的寻址方式是依据通信两端点的MAC地址来实现的。因此，网络层的IP包进人网络访问层后，下一步的传输必须要知道下一链接点或目的节点的物理地址即MAC地址。如何找到下一链接点或目的节点的MAC地址，就是由ARP协议实现的。

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