網絡層的產生也是網絡發展的結果。當數據通信需要跨網段并且有多條通信路徑可選擇時，這就產生了如何把任意兩臺主機連接起來進行遠距離的數據傳輸問題。網絡層的IP協議很好地解決了這一問題。在這里我們需要先了解IP協議及IP數據單元的格式，然后再分析IP協議的工作原理。

1. IP協議

IP協議(Internet Protocol，網際協議)即網間互連協議。IP協議是使連接到Internet上的所有計算機實現相互通信的一套約定或應當遵守的規則。這套規則確保了網間的連接、網間的尋址以及網間的數據轉發等功能得以實現。所以，它是網絡層中最重要的協議.它與TCP協議一起構成了TCP/IP協議族的核心.IP協議在網絡層提供的是無連接的、不可靠的數據傳輸服務。

何謂無連接的、不可靠的數據傳輸呢?

在網絡層傳送IP包就好比我們生活中在郵局寄送的平信，每封平信有確定的目的地址，平信在傳送過程中可能走的路徑不同，平信在寄送的途中是沒有保證的;在發信人與收信人這一對有關聯的主體之間沒有直接的制約關系(可理解為無連接的)，如果平信在傳送途中丟失，郵局是不負責的(可理解為不可靠的)。也就是說，IP包在網絡傳輸中，發送端的網絡層與接收端的網絡層之間不需要建立北京網站設計連接，發送端的網絡層也無須關心IP包是否送到接收端的網絡層。

2. IP數據單元格式

IP協議的數據單元也很復雜，如圖4-14所示。IP協議頭主要由12個域組成，加上傳輸層傳遞下來的數據單元就構成了網絡層的IP數據報，也稱之為IP包。 IP協議頭的構成，每行為32個bit位，其中各域含義解釋如下.版本(Version):指的是IP協議版本號，目前是4，即指IPv4a頭長度(Internet Header Length,IH L):指的是IF協議頭長度，以4個B為1個單位，最小值為5，即最小的IP協議頭有20個字節(沒有可選項時)。

服務類型(Type of Service,TOS):由8個bit組成，在不同位置的bit設置可代表不同的服務類型.有數據的優先權(現已被忽略)、低時延、高吞吐、高可靠和最小費用等服務類型，否則就意味著是一般服務。

總長度(Total Length, TL):指整個IF包的長度，以B為單位。利用協議頭長度和總長度，就可以知道IF包中數據的起始位置和長度。

標識(Identification):標識主機發送的每一份IF包的編碼(ID)，占16位.通常每發送一份IP包它的值就會加1。

IF包是在網絡層傳輸的數據單元，而不同網絡類型在鏈路層都具有最大傳輸單元(MTU)限制這一特性，如以太網的MTU是1500B，這個1500B就是網絡層IP協議數據單元的最大值。如果IP包總長度超過了MTU，那么網絡層就要對IF包進行分片，使每一報片的長度小于或等于MTU。此時這16位的標識在IF包分片后將被復制到每一報片中。在接收端，數據報片的重組依據就是這個ID標識。

R:保留未用。

DF(Don't Fragment) : IP包不分片標志，占1bit。值為1時表示網絡層將不對IP包進行分片。

MF(More Fragment):報片標志。值為0表示當前數據報是最后一片;值為1表示非最后一報片，后續還有其他報片。

片偏移(Fragment Offset, FO):該報片偏移原始數據報開始處的位置.偏移的字節數是該偏移值乘以8。

另外，當IP包被分片后，每個報片的總長度值要改為該片的長度值。接收端收到最后一個報片，從它的長度和片偏移計算出數據報總長度，再與所有到達的報片長度和比較，依此來判斷報片的完整性，然后進行重組。

生存時間(Time To Live, TTL):設置了IP包可以經過的最多路由器個數(有關TTL的單位請參考第11章問題4-5的解釋)。TTL的初始值由源主機設置，經過一個路由器，它的值就減1。當該域的值為0時，IP包就被路由器丟棄，并發送ICMP報文通知源主機。

協議(Protocol, PROT):指出上層的協議類型。具體指的是TCP或UDP的協議編碼。

頭校驗和(Header checksum):是根據IP協議頭計算的“校驗和”碼。如果“校驗和”有誤就丟棄IP包，但是不生成差錯報文。重傳控制將由傳輸層控制來發現被丟棄的數據報并進行重傳。

源IP地址:每個Ip包都必須包含發送端的源IP地址，是一個32bit的值。

目的IP地址:每個IP包也都需要包含接收端的IP地址，也是一個32bit的值。

可選字段(Options):一個可變長的選項，用于安全、調試等，也為以后擴展或升級之用(該字段的應用請參見第11章問題4-6解釋)。

填充(Padding):在必要時插人一定的填充字節，以確保IP協議頭始終是32bit的整數倍。

數據:是傳輸層提交下來的協議數據單元。

從IP包的協議頭可知，IP協議頭的大小有兩種:當沒有“選項”這個域時，為160位即20個字節;當有“選項”域時，為192位即24個字節。

3. IP協議的工作原理

IP是怎樣實現網絡互聯的?

早期各公司的網絡系統不能互通，也不能互連。原因是它們在各自網絡中所傳送的數據基本單元(即數據幀)的格式不同。有了IP協議，不同的網絡系統實現了互聯。可以這樣理解lip協議就是一套由程序構成的協議軟件，它把各種不同的“數據幀”統一轉換成“IP包”格式，實現在互聯網上的傳送。這種轉換是Internet的一個最重要的特點，它使異種網絡的計算機系統也能在Internet上實現相互通信，也使Internet具有了真正意義上的“開放性”特征。

那么，"IP包"是什么?

由IP數據單元格式的構成可見，IP包就是一個無連接的，并且是獨立的數據傳輸單元，它攜帶了數據來自哪里，以及將要送到哪里等明確的標識(即IP地址)。這樣，IP包在網絡間傳送時，就不需要一定先建立一條數據通道，而是每個IP包都可經由不同的傳輸路徑獨立地向目的地傳送。

【舉例】如圖4-15所示，IP協議的基本工作原理分析。當通信兩端(主機A和主機B)位于不同的網絡時，數據的傳送需要經由路由器跨網傳遞。發送端A只需將IP包(需要分片時先分片處理)交給第一路由器RI即可。路由器R1根據IP包攜帶的目的標識，進行路徑選擇并轉發給下一路由器(R2或R3).下一路由器再轉發到其下一路由器R4,路由器R4最后將IP包傳送到目的主機。在目的主機B端，收到IP包后進行協議頭校驗和檢驗，將檢驗失敗的IP包.直接丟棄(不會向發送端回送任何差錯報文);將校驗無誤的IP包提取數據報數據直接交給上層傳輸層。
由此可見，在網絡層IP包的傳送不僅是無連接的，而且目的端IP包的到達是無序的，并且是不可靠的。

4.網絡層其他協議

在網絡層，除了非常重要的IP協議之外，還有兩個比較重要的協議在此簡單介紹如下。

1)ICMP協議

ICMP(Internet Control Message Protocollnternet，網際控制消息協議)是TCP/IP協議族的一個子協議，主要用于在主機、路由器之間傳遞控制信息。這些控制消息是指網絡本身的消息，如網絡是否通暢、主機是否可達、路由是否可用、IP包路由傳送已超過“生存時間”等，還包括報告錯誤、交換受限等控制和狀態信息.這些控制消息雖然并不傳輸用戶數據，但是對于用戶數據的傳遞起著重要的作用。

在網絡應用中，我們經常會得到ICMP提供的消息，只不過常常被忽略了而已。如某主機處于關閉或維護狀態，不提供網絡服務時，ICMP就可以對發起的TCP連接給出一個終止(Destination Unreachable)通告，告知主機不可達。又如我們在檢查網絡是否通暢時，常常使用ping命令，這個命令就是一項基于ICMP協議的應用，ping命令返回的信息均是由ICMP協議提供的報告。

2) ARP協議

ARP(Address Resolution Protocol，地址解析協議)用于通過主機的網絡地址(即32位的IP地址)解析出該主機的物理地址(即48位的MAC地址)。

在Internet網中，網絡層之下是網絡訪問層，其對應于局域網的數據鏈路層和物理層。在數據鏈路層中，數據通信是以“數據幀”為傳輸單位，而“數據幀”的尋址方式是依據通信兩端點的MAC地址來實現的。因此，網絡層的IP包進人網絡訪問層后，下一步的傳輸必須要知道下一鏈接點或目的節點的物理地址即MAC地址。如何找到下一鏈接點或目的節點的MAC地址，就是由ARP協議實現的。