计算机网络：网络层
网络层
网际层在OSI七层网络模式中，位于数据链路层与传输层之间，起着非常重要的作用。
IP地址
IP地址规则
我们知道主机想要上网，需要先有一个IP地址，eg：192.169.0.101，那么这个IP地址有什么规则呢？
IP地址由4个字节组成，分为网络号和主机号两部分，网络号是其在整个互联网的网络中的唯一标识，主机号则是主机在自己网络内的唯一标识，所以网络号+主机号就能让IP地址在整个互联网中保证唯一。
网络号和主机号通过子网掩码 netmask 区分，我们在设置IP地址时，会同时设置一个子网掩码，它同样是4字节，eg：255.255.255.0, 子网掩码中值为1的位数就是IP地址的网络号的位数。eg：
1
2
3
4
ip 192.168.0.100
netmask 255.255.255.0
-- 网络号: 192.168.0
-- 主机号: 100
IP地址根据网络号的不同段分为几种类型：
- A类： 以 01开头的
- B类： 以 10 开头的
- C类： 以 11 开头的
- D类： 以 111 开头的
- E类： 以 1111 开头的
特殊IP
- 主机号位全为0的IP是保留的，表示该网络号。
- 主机号位全为1的IP也是保留的，表示该网络的广播地址。
127.0.0.1是主机的回环IP，当请求的目的地址是127.0.0.1时，会交给主机内部的软件处理。
为什么需要IP地址
之前在数据链路层的文章中有提到，每个网卡都会有一个48位的 MAC地址，并且MAC地址保证全球唯一，那么为什么不能直接用MAC地址，而是用IP地址呢？
其实MAC地址与IP地址的关系可以用一个例子说明，你在网购时填写的收货地址，都是填的门牌地址，而不是家里的坐标经纬度。IP地址更像是我们生活中填写的收货地址，省市区小区对应网络号，几单元几号则对应主机号，通过这样的逻辑划分，能够更加容易的做网络路由。相比与IP地址，MAC地址就无规律可言，无法通过它进行快速的分组路由。
路由
同一网络内的主机通讯
同一个网络内的主机通信过程实际上非常简单。 网络内的主机通过集线器、交换机等设备连接在一起，它们IP地址的网络号都是相同，主机号不同。 其实在同一网络内，主机间通讯主要依靠的是MAC地址，如果知道目的MAC地址，将其加在数据链路层的帧头上，然后源主机在整个网络内发起广播，收到数据帧的主机检查帧头的目的MAC地址是否是本机的MAC地址，如果不是则丢弃，如果是则进行处理，这样数据就传输过来了。
那么源主机如何才能知道目的主机的MAC地址呢？这就需要引入一个新的协议， ARP 协议。
ARP协议
ARP（地址解析协议）就是用来通过IP地址查询MAC地址的协议。一般我们的主机上都会保存IP地址与MAC地址映射关系的高速缓存，但如果主机是新加入网络的，或者目的主机是新加入网络的，缓存中就没有目的IP/MAC的映射关系。 此时ARP协议就会发起广播,例如：
我的IP是 192.168.0.101 MAC地址是 3f:33:43:87:2f:3c, 192.168.0.121 你的MAC地址是多少？
网络内所有主机收到消息，会判断目的IP是否和本机IP一致，如果不一致就丢弃，如果一致就回复：
我是 192.168.0.121 我的MAC地址是 3f:33:4a:87:5f:3c
这样源主机就得到了目的主机的MAC地址，就可以按照上面描述的方式，给目的主机发送数据了。
为了提升网络效率，获取到目的主机的MAC地址后,会将其存储在本地缓存中，下次再给相同IP主机发送数据时，从缓存中获取MAC地址就行，缓存有效期一般是十几分钟。 如果这期间目的主机的网卡坏了，换了一张网卡，那么此时，主机与目的主机间的通讯可能就不通了，因为MAC地址已经变了， 此时其实不用着急，因为过几分钟通讯可能就恢复了，因为ARP缓存过期会重新走上面的流程获取到新的MAC地址。