日新计划6月更文 Day 10
网络层（Network Layer）位于数据链路层之上、传输层之下，是计算机网络五层中较为复杂的一层。在发送端，传输层的 Segment 被封装成数据报（Datagram），在接收端重新得到 Segment。在此过程中会经过路由器（Router）的路由（Route）与转发（Forward）。
- Routing：路由，是指由路由器计算出一个数据报从发送方到达接收方的路径
- Forwarding：转发，是指数据报从路由器的输入端移动到正确的输出端
在网络层有两种主要的通信协议——ATM（Asynchronous Transfer Mode）协议与 IP（Internet Protocol）。接下来我们主要讨论 IP。
IPv4 协议的报文格式如下：
| IP 版本（4 bits） | 首部长度（4 bits） | Type Of Service（8 bits） | lengtd（16 bits） | |
| identifier（16 bits） | Flags（3 bits） | Fragrant Offset（13 bits） | ||
| Time To Live（TTL，8 bits） | Upper Layer Protocol（8 bits） | Header Checksum（16 bits） | ||
| Sourece Address（32 bits） | ||||
| Destination Address（32 bits） | ||||
| Options（32 bits * n） | ||||
| Data（32 bits * n） | ||||
使用 IP 地址标识一个网络中的每个主机与路由器，但这些设备是使用网络接口（Interface）接入这个网络的，一台设备可能有多个接口并各自接入不同的网络，因此 IP 地址其实标记的是一个接口。
在 IPv4中，IP地址长度为32位，为便于书写，常分为四组，每组8位使用十进制数表示，各组间使用.分割，如我们熟悉的192.168.0.1。
为方便管理并提高 IP 地址使用率，有了“子网”（subnet）的概念。一个 IP 地址分为两部分：子网部分与主机部分，使用子网掩码来标识出子网部分：子网掩码值为 1 的位表示子网，值为 0 的位表示子网中的主机。
也可以使用 CIDR（Classless InterDomain Routing）表示一个 IP 地址及其分段。格式为a.b.c.d/x，x表示子网掩码1的数量。
对于每一个子网，其主机部分全为 0 的 IP 用于表示这个子网；全为 1 的 IP 地址用于广播。
可以由网络管理员手动为每台主机的每个接口配置 IP 地址，也可使用 DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）自动为网络内设备分配 IP 地址。
IPv4 的地址分为 A、B、C、D、E五类：
- A类：1.0.0.0/8 ~ 126.0.0.0/8
- B 类：128.1.0.0/16 ~ 191.255.0.0/16
- C 类：192.0.1.0/24 ~ 223.255.255.0/24
- D 类：组播地址，224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
- E 类：试验地址，240.0.0.0 ~ 255.255.255.255
为了提高提高 IP 地址使用率，常使用 NAT（Network Address Translator，网络地址转换）技术使内网所有设备对外表现为一个 IP 地址，内网各个设备使用内网地址（10.0.0.0/8，172.16.0.0/16 ~ 172.31.0.0/16，192.168.0.0/24 ~ 192.168.255.0/24）互相访问。
一种非常常见的 NAT 方式为：接入公网的路由器将内网对外建立的连接的 IP 地址与端口修改为路由器公网 IP 和一个未使用的端口并记录该对应关系，完成后续通信。这称为 PAT、NAPT或 IP 伪装。
进行 NPAT 后内网设备不对外暴露，提高了内网安全性，但如果要让内网设备对外提供服务就需要进行 NAT 穿透（内网穿透）。
但是 NAT 这种做法是有争议的，如：
- 地址短缺问题应由 IPv6 解决
- 路由器应只处理三层
- 应用设计者应考虑 NAT 的存在
随着 IPv4 的一些问题逐渐暴露出来，有了新的网络层协议——IPv6，IPv6 使用 32 位地址标识网络接口、更改标头以优化对 QoS 的支持、禁止报文分片发送并将 IP 报文首部长度固定为 40 Bytes：
| IP 版本（4 bits） | Priority（8 bits） | Flow Label（20 bits） | ||
| Payload Len（16 bits） | next hdr（8 bits） | hop limit（8 bits） | ||
| Sourece Address（128 bits） | ||||
| Destination Address（128 bits） | ||||
| Data（32 bits * n） | ||||
