網路層主要是定義網路地址和路由尋徑，IP 是網路層的實現。
IP 地址
TCP/IP 協議網路上每一個網路介面卡都有一個 IP 地址。該地址由 32 bit 來定義，通常我們分為 8 bit*4 的格式分為 4 段，每一段又以十進位制的格式來顯示，如：192.168.0.1。
IP 地址分類
IP 地址分為兩部分：網路 ID（network id）和主機 ID （host ID）。
但是具體 32 bit 中哪部分表示網路 ID，哪部分表示主機 ID 並沒有強制規定。有些網路中主機數較多，那麼主機 ID 所佔的位數就多，反之亦然。
一般地，IP 地址分為分為以下幾類：
- A 類：IP 地址前 8 bit 表示網路 ID，後 24 bit 表示主機 ID，且二進位制 IP 地址以 0 開頭；
- B 類：IP 地址前 16 bit 表示網路 ID，後 16 bit 表示主機 ID，且二進位制 IP 地址以 10 開頭；
- C 類：IP 地址前 24 bit 表示網路 ID，後 8 bit 表示主機 ID，且二進位制 IP 地址以 110 開頭；
注意：
- IP 地址第一段大於 223 的屬於 D 類和 E 類地址，比較特殊，不做介紹；
- 若主機 ID 全為 0，則該 IP 代表網路本身，如 192.10.0.1 代表 192.10.0 這一個 C 類地址網路；
- 若主機 ID 全為 1，代表著廣播地址，用於向該網路中所有主機傳送訊息的，如 192.10.0.255 是網路 ID 為 192.10.0 網路的廣播地址。
- A 類地址中，整個 127 網路都是環回（loopback）地址，用以測試 TCP/IP 是否正常
PS: IP 地址由美國國防資料網 DDN 的網路資訊中心 NIC 進行分配。
子網
子網 ID
比如一個 A 類網路，下面可以有 2^24 > 1600w 臺主機，控制起來十分靈活，我們想要將該網路切分為更小的網路來調控，子網就是為了解決這種問題的。
我們上面提到，我們將一個 IP 地址分為網路 ID 和 主機 ID 兩部分，如果需要使用子網，則需要子網 ID（subnet id），它會佔用主機 ID 的空間。
簡單地舉個例子，比如學校分配到了一個 C 類網路 192.10.10.0，其網路 ID 即為 192.10.10，機主 ID 為 8 bit，共可容納 2^8 - 2 = 254 臺主機。現在我們將 IP 地址分為兩個子網，一個給教學區用，一個給辦公區用。有人說了，你直接再搞一個 C 類網路不就好了比如 192.10.11.0？這確實方便，但是這將造成 IP 地址的極大浪費。
子網掩碼
我們可以利用子網 IP，將學校網路切分為 2 個子網。這裡為了方便下面說明，先介紹一下**子網掩碼（subnet mask）**的概念。
子網掩碼跟 IP 地址一樣，也是 32 bit 來表示的，它含有連續的 1 和 0，而且一定是 1 排在前面。其中 1 表示的是已經切分出子網的網路 ID，0 表示的是主機 ID。
這麼說有點抽象，我們舉個例子吧。比如一個 C 類網路，193.10.10.0，我們可以將其想象成整個大網路其中的一個子網，它的網路 ID 為 24 bit，那麼其子網掩碼就為 255.255.255.0，表示為 193.10.10.0/24。
子網切分
現在，我們現在將學校網路切分為兩個子網，子網 ID 需要佔用 2 bit（至於為什麼不是 1 bit 下一段會講） 的主機 ID 位，此時可以將當前網路切分為 2 個子網（為什麼是 2 個子網而不是 4 個子網，下面也會說到）。
那麼此時切分出來的兩位子網的資訊如下：
| 網路 | 網路地址 | 廣播地址 |
|---|---|---|
| 192.10.10.128/26 | 192.10.10.128 | 192.10.10.191 |
| 192.10.10.64/26 | 192.10.10.64 | 192.10.10.127 |
需要對上面的結果解釋一下。
首先，為什麼 2 bit 的子網 ID 只能切分出 2 個子網，不應該有 00,01,10,11 四種情況四個子網嗎？確實是，但是一般全 0 和全 1 的子網 ID 是不可用的，所以只剩下 01,10 兩種情況了（具體可見這篇文章）。
既然只有 01,10 兩種情況，那麼此時將 192.10.10.0 這個網路切分為：192.10.10.01000000 和 192.10.10.10000000 這兩個子網，為了看得更清晰我把最後 8 bit 寫成二進位制並且把子網 ID 加粗顯示。
對於這兩個子網，其主機 ID 位數就剩下 6 bit 了，將主機 ID 為全置 0 則對應子網的網路地址，全置 1 則對應子網的廣播地址。
ARP 協議
IP地址只是主機在網路層中的地址，若要將網路層中傳送的資料包交給目的主機，必須知道該主機的 MAC 地址。ARP，地址解析協議，就是將 IP 地址對映為 MAC 地址；反之有個 RARP 協議，是將MAC 地址對映為 IP 地址。
link: MAC地址
IP 路由
說了這麼多，那麼在網路層上，主機之間是如何通訊的？
考慮兩種情況：網段內通訊和不同網段（網路）間通訊。
網段內通訊
獲取目標 MAC 地址
比如上圖的主機 A 和 伺服器 A 都處於 192.168.0.0 網路中，主機 A 若想要傳送資料給伺服器 A，此時主機 A 知道自己的 IP 地址和 MAC 地址，同時還知道伺服器 A 的 IP 地址，但是不知道它的 MAC 地址。
這時，主機 A 通過子網掩碼計算出源地址（主機 A 的 IP 地址）和目標地址（伺服器 A 的 IP 地址）是處於同個網段內，那麼此時主機 A 就向本網段傳送一個 ARP 請求，該請求包中所帶的關鍵資訊如下：
傳送方IP地址：192.168.0.2 | 傳送方MAC地址：XX-XX-XX-XX-XX-XX
接收方IP地址：192.168.0.3 | 接收方MAC地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF
複製程式碼包中除 接收方 MAC 地址外，所有資訊都是未知的，接收方 MAC 地址設為廣播 MAC 地址。
這個 ARP 包在整個網段內都可以接收到，伺服器 A 自然也能接收到。伺服器 A 接收到後發現接收方 IP 是自己的 IP，那麼就將自己的 MAC 地址填上去並返回完整的 ARP 迴應包：
傳送方IP地址：192.168.0.2 | 傳送方MAC地址：XX-XX-XX-XX-XX-XX
接收方IP地址：192.168.0.3 | 接收方MAC地址：YY-YY-YY-YY-YY-YY
複製程式碼現在，主機 A 就獲取到源 IP，源 MAC，目標 IP 和目標 MAC 了。此時再將這些資訊和一開始的資料包封裝在一起就可以傳送出去了。
ARP 快取
實際上，每臺主機都有維護一份 ARP 快取表，記錄著與自己發生過通訊的所有的直接相鄰裝置或主機的 MAC 地址，但ARP快取表經過一段時間會自動刪除。
這個過程其實就有點像寫信，比如說李雷想向班裡的一個人寫信。
- 李雷的名字（IP）和地址（MAC）自己肯定是知道的，家就住北京市奶子房吧。
- 你同學的名字（IP）叫韓梅梅他肯定也知道，但是不知道她家（MAC）住哪兒。
- 這時李雷就在班裡的 QQ 群喊了一句：“韓梅梅，我叫李雷，家住北京奶子房，你家地址是什麼？”（ARP 包）
- 這時候班裡所有人肯定都收到這條訊息，但是他們想：“不又是叫我名字，不鳥他。”只有韓梅梅迴應：“家住北京五道口的李雷，我是韓梅梅，我家住在北京南站東廣場西出口~”（ARP 迴應包）
- 然後班裡所有人肯定又都收到這條訊息，但是他們想：“不又是叫我名字，不鳥他。”只有李雷默默地記下了她的地址。
- 然後李雷就能成功把寄信人、寄信地址、收件人和收件地址給寫全了，然後把包裹在信封裡面的信寄出去了。
- 下次李雷想寫信給韓梅梅的時候，就不用再次去詢問韓梅梅的地址了，因為他還記得上次寫信時的地址（ARP快取表），但是如果太久沒寫信，李雷就健忘了，還是得問韓梅梅家住哪兒。
- md，李雷真矯情，都用 QQ 了還寫信，去 QQ 愛啊淦。
不同網段通訊
不同網段間裝置的通訊就要依賴路由器了。
比如說主機 A 想要傳送資料給主機 B，用子網掩碼算了一下，兩者並不屬於同個網路。也就是說主機 A 不知道要發給誰了，這種情況會預設傳送到閘道器，傳送到閘道器之前當然也需要知道閘道器的 MAC 地址，閘道器的 IP 是知道的（192.168.0.1），閘道器 MAC 的獲取方法就跟上面的例子一樣。
得到閘道器的 MAC 地址後，我們就可以將資料包傳送出去了，但是注意，此時的目標 IP 是主機 B 的 IP，但是目標 MAC 是閘道器 MAC。
源IP：主機A的IP | 源MAC：主機A的MAC | 目標IP：主機B的IP | 目標MAC：路由器X介面MAC | 資料
複製程式碼圖中我們假設閘道器本身是路由器，如果閘道器是一臺普通的 PC，那麼需要將資料發給路由器處理。路由器接收到資料包後發現，Y 埠和目標 IP 處於同個網段，這時通過 ARP 來確定目標 IP 的 MAC 地址，重新修改資料包中目標 MAC 地址和源 MAC 地址即可。（注意源 MAC 和目標 MAC 在不同網段的通訊過程中是會一直改變的）
源IP：主機A的IP | 源MAC：路由器Y介面MAC | 目標IP：主機B的IP | 目標MAC：主機B的MAC | 資料
複製程式碼當然，這種網路介面是很簡單的，只需要一個路由就可以實現兩個不同網路間的通訊（這種路由稱直接路由），而實際情況下，資料包可能需要經過很多個路由才能達到目標主機。