網(wǎng)絡(luò)層，也是OSI第三層，從傳輸層接收數(shù)據(jù)分段或PDU。這些比特流已經(jīng)被處理成為可傳輸?shù)拇笮〔⑦M(jìn)行了編號已實現(xiàn)可靠性。現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層使用的協(xié)議為PDU添加地址和其他信息，并將其沿最佳路徑發(fā)送到下一臺路由器或目的網(wǎng)絡(luò)。
網(wǎng)絡(luò)層描述要執(zhí)行的4個基本任務(wù)：
用IP地址編址
封裝
路由
解封裝
IP是最常使用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。IP第4版（IPv4）是目前使用最為廣泛的一個版本。它是通過Internet傳送數(shù)據(jù)時唯一使用的一個第三層協(xié)議。網(wǎng)際協(xié)議是作為低開銷協(xié)議來設(shè)計的，它只提供通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)從源主機到目的主機傳送數(shù)據(jù)包的必須功能。該協(xié)議不負(fù)責(zé)跟蹤和管理數(shù)據(jù)包的流動。這些功能由其他層中別的協(xié)議執(zhí)行具體操作.
IPv4的基本特征是：
無連接-發(fā)送數(shù)據(jù)之前不建立連接
盡力（不可靠傳輸）-IPv4不使用任何過程來保證數(shù)據(jù)包到達(dá)，這會減少路由器的處理時間并減少確認(rèn)消息所占用的帶寬
介質(zhì)無關(guān)性-協(xié)議的運行與具體使用的傳輸介質(zhì)無關(guān)
IP是無連接的，意味著在發(fā)送者和接受者之間不用建立連接。IP在沒有確認(rèn)接收者的情況下就發(fā)送數(shù)據(jù)包，無連接對IP不是問題，這是“盡力”傳輸類型設(shè)計的一部分。也是在TCP/IP協(xié)議族中IP和TCP共同工作的原因。如果數(shù)據(jù)包延遲或丟失，將在第4層中糾正這個問題，IP可以高效工作在第3層。
由于IP不負(fù)責(zé)可靠性、維護(hù)連接，因此同TCP相比，在頭部不用那么多的信息。IP只需要很少的數(shù)據(jù)就可以完成任務(wù)，因此它比TCP的帶寬開銷要小得多。
關(guān)于介質(zhì)無關(guān)性，還有一點需要注意：有些網(wǎng)絡(luò)有介質(zhì)的限制，必須要滿足大傳輸單元（MTU）的要求。MTU由數(shù)據(jù)鏈路層確定，這一要求送到網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)此要求創(chuàng)建數(shù)據(jù)包。如果通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包大于此要求，與這個網(wǎng)絡(luò)連接的路由器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到介質(zhì)上之前要對數(shù)據(jù)包分割。這一過程稱為分片。
IP頭中包含傳輸和處理IP數(shù)據(jù)包的指令。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器接口，路由器需要知道是IPv4還是IPv6數(shù)據(jù)包。路由器查看頭中特定的字段就可知道是什么類型的數(shù)據(jù)包。頭中還包含了地址信息和沿路徑傳輸時決定如何處理數(shù)據(jù)包的其他數(shù)據(jù)。
下圖顯示了IPv4數(shù)據(jù)包頭的內(nèi)容：
具體解釋下部分字段的含義：
生存時間（TTL）—8位TTL字段描述的是數(shù)據(jù)包被丟棄或可傳輸之前可經(jīng)過的大跳數(shù)。處理數(shù)據(jù)包的每臺路由器將TTL值減1，TTL值為0的數(shù)據(jù)包被丟棄。
服務(wù)類型（Tos）—此字段的8個比特描述路由器在處理數(shù)據(jù)包時所使用的優(yōu)先級別。如：數(shù)據(jù)包中含有IP語音的的數(shù)據(jù)優(yōu)先級高于流媒體音樂。路由器處理數(shù)據(jù)包的方法成為Qos，服務(wù)質(zhì)量。
標(biāo)志和分段偏移—路由器將數(shù)據(jù)包從一種介質(zhì)轉(zhuǎn)發(fā)到另一種MTU值小的介質(zhì)時可能對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片。發(fā)生分片后，數(shù)據(jù)包到達(dá)目的主機時，IPv4數(shù)據(jù)包利用報頭中的分片偏移和MF標(biāo)志位重建數(shù)據(jù)包。分片偏移字段指明重建時數(shù)據(jù)包分片的次序。
主機需要本地路由表才能確保網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到正確的目的網(wǎng)絡(luò)。與路由器中包含本地路由和遠(yuǎn)程路由不同，主機本地路由表一般包含的是與其直接相連的網(wǎng)絡(luò)或默認(rèn)路由。在主機上創(chuàng)建默認(rèn)網(wǎng)關(guān)就會創(chuàng)建本地默認(rèn)路由。沒有默認(rèn)網(wǎng)關(guān)或路由，目的為外網(wǎng)的數(shù)據(jù)包會被丟棄。
路由是指為每個到達(dá)網(wǎng)關(guān)接口的數(shù)據(jù)包做出轉(zhuǎn)發(fā)決定的過程。為將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的網(wǎng)絡(luò)，路由器需要到那個網(wǎng)絡(luò)的路由。如果路由器上的目的網(wǎng)絡(luò)路由不存在，數(shù)據(jù)包將會被轉(zhuǎn)發(fā)到缺省網(wǎng)關(guān)。如果沒有配置缺省網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)包將被丟棄。
路由協(xié)議
當(dāng)路由器注意到自身充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化或者路由器之間的鏈路變更時，會將此類信息轉(zhuǎn)發(fā)給其他的路由器。當(dāng)一臺路由器收到有關(guān)新路由更改的信息時，它會更新自己的路由表并依次將該信息傳遞給更多的路由器。通過這種方式，所有的路由器都會有準(zhǔn)確的動態(tài)更新路由表，而且可以掌握相距很多跳的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)路由。
常用的路由協(xié)議包括：
路由信息協(xié)議(RIP)
增強型內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議(EIGRP)
開放最短路徑優(yōu)先(OSPF)
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