網路層 詳解，網路層功能，網路層協議，網路層裝置。
本章重點
- 掌握網路層的協議及工作原理
- 掌握網路層的物理裝置
資料鏈路層只能在相鄰節點之間傳遞資料，而網路層可以在「不相鄰」的節點之間傳遞資料，無論中間有多少個機器，網路層都能將將資料從源裝置傳遞到目的裝置，而網路層傳輸資料的核心，就是IP協議。
接下來，我們來了解一下，IP協議是怎麼傳輸資料的。
一、IP協議
IP協議是一種不可靠的端到端資料包「傳輸服務」，主要實現兩個功能：資料傳輸和資料分片。
1）資料傳輸
資料傳輸功能依賴於「IP地址」，IP協議規定IP地址的格式為32位二進位制，分為A、B、C、D、E五類：
- A類（1~127）：1.0.0.1 ~ 127.255.255.254
- B類（128~191）：128.0.0.1 ~ 191.255.255.254
- C類（192~233）：192.0.0.1 ~ 233.255.255.254
- D類（224~239）：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
- E類（240~225）：240.0.0.0 ~ 255.255.255.254
2）資料分片
當傳輸的資料超過幀的「最大值」時，IP協議會將資料「分割」，放到多個數據幀中傳輸，傳輸完成時，再將資料「重組」。
二、ICMP協議
ICMP協議是IP的一個組成部分，負責傳遞「控制資訊」，它只負責「檢錯」而不負責「糾錯」。
ICMP協議根據 Type 和 Code 這兩個欄位來標明傳輸的情況，以此來控制資料的傳輸。比如 Type=0，Code=0，代表傳輸正常；Type=3，Code=3，則意味著埠不可達。
IP協議定義了IP的格式和使用規則，而電腦具體使用哪個IP地址，你得自己配，DHCP剛好可以幫我們實現分配IP的工作。
三、DHCP協議
DHCP也叫動態主機配置協議，負責「管理和分配IP」。
工作流程分為四步：
- DHCP Discover：客戶端廣播發現報文，尋找網路內的DHCP伺服器。
- DHCP Offer：DHCP伺服器傳送提供報文，給客戶端提供IP地址。
- DHCP Request ：客戶端廣播請求報文，使用指定伺服器提供的IP地址。
- DHCP ACK：DHCP伺服器傳送確認報文，告知IP地址的租期。
IP協議根據IP地址將資料傳輸到目的地址，通往目的地址的路線有很多，我們需要選擇一條最優的路線，也就是路由選擇，而RIP剛好可以幫我們實現這個功能。
四、RIP協議
RIP全稱（Routing Information Protocol），中文叫路由資訊協議，使用「距離向量演算法」，根據跳數來判斷到達目標的「最佳路徑」。
每一個路由器都維護一張「路由表」，路由表提供自己到達其他所有路由器的跳數，以及下一跳的路由器。
「跳數」就是到達目標路由器需要經過的路由器的個數，每經過一個路由器，跳數就加1，跳數大於 15 時，判定網路不可達。
路由器每隔30秒廣播一次更新資訊，並根據其他路由器響應的更新報文修改路由表。
每個路由器都有獨立的「計時器」，以此來減小同時廣播的機率。
路由表中的每條路由都有一個「超時定時器」，如果超過180秒沒有收到路由的更新資訊，則判定該路由無效。
對於判定無效的路由，會開啟「清除定時器」，如果超過120秒還沒有收到路由的更新資訊，就從路由表中刪除這條路由。
由於最大跳數的限制，RIP只適合小型網路，應用較少，為了適應大型的網路，人們在RIP協議的基礎上，研究出了OSPF協議。
五、OSPF協議
OSPF（Open Shortest Path First）根據鏈路狀態選擇最短路徑。
1）工作原理
OSPF的工作原理很簡單：相鄰的路由器傳送hello報文確定鄰居關係，鄰居路由器互相交換鏈路狀態，然後使用最短路徑演算法計算出路由表。
2）工作過程
OSPF協議的工作過程分為三個階段：鄰居發現、鏈路交換 和 路由計算。
1）「鄰居發現階段」：當路由器初始化或者網路結構發生變化時，相鄰的路由器之間傳送hello報文，將通訊正常的路由器儲存到鄰居表。
2）「鏈路交換階段」：路由器和鄰居路由器交換鏈路狀態、並更新到自己的鏈路狀態資料庫，鄰居再和鄰居的鄰居交換鏈路狀態，交換到最後，每一個路由器都會獲得全網的鏈路狀態。
3）「路由計算階段」：路由器根據鏈路狀態資料庫，使用最短路徑演算法，計算出各自的OSPF路由表；然後從所有OSPF路由表中選出最優的路徑，放到全域性路由器。
六、網路層裝置
網路中的裝置根據IP地址進行通訊，IP地址由網路地址和主機地址兩部分組成，網路地址不同的兩個IP處於兩個網段，不同的網段之間不可以直接通訊；
而路由器的多個埠可以連線「多個網段」，每個埠的IP地址的網段與所連線的網段一致，從而使資料在不同的網段之間傳輸。
1）路由器
路由器用來連結多個不同協議的網路，根據路由演算法把資料包按照最佳路線傳送到目的地址。
路由器內部有一個「路由表」，表裡有目的IP地址對應的「下一跳」地址和介面，表裡的這些內容是路由選擇協議算出來的，比如RIP協議和OSPF協議。
路由表的執行邏輯是，讓資料不斷的接近目標地址，這個下一跳可能是轉發地址，也可能就是目標地址，就像發快遞要經過很多箇中轉站一樣。