（网络）网络层：IP协议解析、地址管理(IP地址、子网掩码)、路由选择
之前我们学习了传输层的TCP和UDP，今天我们就来看看网络层的IP协议，话不多说，直接开整。
文章目录
- IP协议头
- IP地址管理
-
- IP地址组成
- 网段的划分
- 子网掩码的引入
- 特殊IP地址
- NAT技术
- 路由选择
IP协议头
我们说了解一个协议就要先了解这个协议的实现，也就是这个协议的各个字段
下面直接给出IP协议头结构图解。
IP地址管理
IP地址组成
IP地址在网络中唯一标识一台主机
IPv4是无符号4字节整数（42亿9千多万），虽然不少但是肯定是不够用的。
解决方案：DHCP（动态地址分配）、NAT（网络地址转换）
既然是动态地址分配，IP怎么合理分配才会避免冲突？
答案是按网络进行分配。
给个网络负责指定一批IP地址的分配，每个网络指定的不同，则分配就不会冲突了。
并且路由器会对网络中的数据进行路径选择，必须能够指定某个地址属于哪个网络（地址分配必须有规律，表示这个IP地址属于哪个网络）
IP地址组成：网络号 + 主机号
网络号：IP地址所属网络的标识，一个网络中所分配的IP地址都会包含相同的网络号（也就是我们通常说的网段）
主机号：用于在网络中标识一台主机 – 一个相同的网络中的主机拥有相同的网络号，但主机号不能相同
一个网络中，只要同一网络中主机号分配不重复，每个网络的网络号不同，就能保证整个网络的IP地址分配不会冲突。
并且路由器转发数据时，就能根据对端IP地址，知道这个IP是属于哪个网络，然后进行转发。
网段的划分
早期将网络/IP地址划分为如下五类：
A类：高1位置0，7位网络号，24位主机号
网络号范围：0~127
IP地址范围：0.0.0.0~127.255.255.255
A类网络有128个，每个网络中可以有256x256x256台主机，通常用于组建大型网络。
B类：高2位置为10,14位网络号，16位主机号
网络号范围：128.0~191.255
IP地址范围：128.0.0.0~127.255.255.255
B类网络有64x256个，每个网络中可以有256x256台主机，通常用于组建中型网络。
C类：高3位置为110，21位网络号，8位主机号
网络号范围：192.0.0~223.255.255
IP地址范围：192.0.0.0~223.255.255.255
B类网络有32x256x256个，每个网络中可以有256台主机，通常用于组建小型网络。
DE类网络比较特殊，在此不做介绍
进行网络分配的时候根据要组建网络的大小直接分配一个A类/B类/C类网络。
我们知道一个A类网络可以有16,777,216IP地址，那么被分配到A类网络的地方能不能把IP地址用完呢？
应该很难保证每个IP地址都用到，那么这样的IP地址分配就有很大的浪费。
因此在此基础上，引入了CIDR方案进行划分网络，使用子网掩码进行网络的划分，使网络的划分更加灵活。
子网掩码的引入
子网掩码是一个uint32_t类型的数据，这个整数必须由连续的二进制1和0组成
比如：255.255.255.0 ==> 11111111 11111111 11111111 00000000
1和0都必须连续
那子网掩码有什么用呢？
1. 子网掩码决定了一个网络中可以有多少个主机号。
子网掩码取反可以得到网络中的最大主机号
以255.255.255.0举例，取反得到0.0.0.255。表示改网络中最多有256个主机号 0~255。
2. 子网掩码与IP地址作&操作可以得到网络号
192.168.10.10 & 255.255.255.0 ==> 192.168.10 （网络号）
说白了就是子网掩码有几位1，网络号就有几位，比之前的ABC类网络划分更加灵活
下面举个栗子：
特殊IP地址
- 0.0.0.0：用于识别本机上的任意网卡地址（通常用于服务端程序的绑定监听地址）
- 255.255.255.255：全网广播地址，把数据发送给这个地址，则与自己相连的设备收到数据都会认为是给自己发送的
- 127.0.0.1：本地的虚拟回环网卡地址 – 常用与本地的网络回环测试
- 主机号全为0的IP地址：是一个网络号，用于表示网络，这个地址不能分配给主机
- 主机号全为1的IP地址：是udp局域网广播地址，这个地址不能分配给主机
所以一个网络中能分配的主机号是：最大数 - 2
NAT技术
因为这里要和其他技术进行对比，所以写在另外一篇~
感兴趣请戳：典型协议和技术：DNS + NAT/NAPT + 代理
路由选择
为流经路由器的数据进行路径选择，依托于网络地址管理方式以及每个路由器上的路由表。
每个路由器会记录路由表，里面有与自己相连的设备信息。
路由选择的过程就是拿目标IP地址与路由表中的子网掩码作&操作得到目的网络号，如果目的网络号在路由表中则直接转发，如果不在，则转发到default指定的网络。