位置导航: 首页 / 物联网教程 / 第2章 – 互联网基础 / 本页
网络层与IP协议
尽管设备可以通过链路层联网，但是光有链路层还无法实现设备之间的数据通讯。因为网络设备没有明确的标识。网络设备无从知晓要向谁传输数据，也无法确定从何处获取数据。
这很像我们在网上购物时需要把收货地址提供给商家。有了这个地址，商家才知道向哪里发货。假如收货后我们不满意，那么商家也要提供退货地址。这样才能确保货物被返还给商家。在这里，商家和我们都有一个明确的地址，以确保货物运输的正常运行。
在网络中传输数据的过程很像刚才这个例子。每一台网络设备都有独立的地址，数据在这些独立的地址间实现传输。但是网络设备的地址是什么呢？很多人都听过这个名字，它叫IP地址。
网络层主要作用是通过IP协议为联网设备提供IP地址。
有了IP地址还不够，因为要确保网络中所有设备IP地址不重复，还需要DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 服务器来实现这一功能。
当网络中所有设备都有了独立的IP地址后，设备之间就可以收发数据了。
IPv4 / IPv6
IP协议有两个版本，分别是IPv4和IPv6。IPv6是IPv4的升级版本，因为IPv6可以为更多的网络设备提供独立的IP地址。在本教程中，我们将着重讲解IPv4，因为大多数网络系统仍在使用IPv4。
IPv4版本的IP地址由4个数字组成，如 192.168.0.200 这个IP地址由两部分组成。其中前三个数字（192.168.0）是设备所连接的本地局域网络地址（也称子网地址）。而最后一个数字200是该设备在本地局域网络中的地址编号。
举例来说，我们有一个手机，一台电脑和一个NodeMCU开发板。如下图所示，现在我们将这三台设备同时连接到家中的WiFi路由器。家中的WiFi路由器会通过它内置的DHCP服务器功能为这三台设备分配一个独立的IP地址。假设我们的NodeMCU IP地址是192.168.0.2，手机是192.168.0.3，电脑是192.168.0.4。到这里，我们的手机，电脑和NodeMCU就可以使用各自的IP地址彼此收发数据了。
子网掩码(Subnet Mask)
与网络设备相同，网络本身也有自己的地址。
如果我们将网络与网络叠加就可以编织成一张无限大的网，而组成这张大网的每一个小网都可以被称作子网络。通常我们家中的网络是不需要多个子网络的。但是对于大型企业或工业项目，由于联网设备数量很大，一个子网无法满足需求。这时我们就可以将多个网络连接在一起形成一张巨型网络。那么当这些子网组成“大网”后，为了便于网络管理，我们为每一个组成大网的子网络都分配一个独立的地址，这个地址就是子网地址。
那么子网地址长什么样呢？其实您已经见过它了。它就在网络设备的IP地址里面。我们再来看一看刚刚给您举得这个例子。请看下图：
在以上的例子里，我们可以看到这三台设备的IP地址都有一个共同点。他们的IP地址前三位数字都是相同的，即192.168.0。这就是子网地址。同时请注意，这三台设备的IP地址最后一个数字是不同的。而这最后一个数字就是这三台设备在网络中的独立序号。
那么问题就来了，对于一个IP地址来说，是不是总是前三个数字是子网地址，而最后一个数字是设备序号呢？ 不是的。
到这里可能有的朋友会感到困惑了。一个IP地址中，到底哪一部分是子网地址，而哪部分是该设备在子网中的设备序号呢？
这就要用到子网掩码了。
在以上示例中，我们的IP地址前三位是子网地址，这是因为我们在对网络设备进行设置的时候，预先设置好子网掩码是 255 . 255 . 255 . 0。可以看到，这个子网掩码也是由4个数字组成的。而且这个子网掩码中只有255和0 这两种数字。而255所在的位置是前3位，最后一位是0。
为了便于您理解子网掩码的概念，我们再把刚才的例子找出来。在这个例子里，这三台网络设备的IP地址唯一区别就是最后一个数字。
也就是说，这几台设备的IP地址相同部分对应子网掩码是255的部分，而设备IP地址不同的部分对应子网掩码0。
这就是子网掩码的基本工作原理了。我们用255这个数字标出IP地址的哪一部分是子网地址。而用0这个数字来表示IP地址的哪一部分是设备部分。
到这里，我们也就基本上理解了子网掩码的基本工作原理。请注意，我在这里一直强调基本二字。这是因为子网掩码的工作原理比以上所讲述的要复杂。然而具体子网掩码是如何发挥作用的，这已经超出了这篇教程的范围。所以我们就点到为止了。关于子网掩码，假如您想要进行更深入的学习，可以参考其它的网络资源，这个知识点的教程资源还是很丰富的。
MAC地址（Media Access Control Address）和ARP(Address Resolution Protocol)
网络设备间要想实现通讯，设备之间不光要知道彼此的IP地址，还要知道设备的MAC地址（也叫MAC码）。
网络中的每一个设备都有一个独立的MAC地址。这个MAC地址是固化在网络设备硬件中的。我们可以通过系统设置或工具软件改变MAC地址，但这也仅仅是临时的修改，而不是真正将设备硬件的MAC地址进行永久性的更改。如果想永久性的修改MAC地址，那就要借助硬件产商所提供的工具软件了。
为了说明MAC地址的用途，我们还是用刚刚的网络示例。如下图所示：
假如我们的ESP8266想要发送数据给网络中的手机， 首先ESP8266要知道手机的IP地址是192.168.0.3。除了这个信息以外，ESP8266还要知道手机的MAC地址。
现在问题就来了，如果ESP8266和手机都是刚刚连入WIFI的， 它们从来没有互相通讯过，因此它们是不可能知道彼此的MAC地址。这可怎么办?
要想解决这个问题，ESP8266会向网络中的所有设备广播一条“寻人启事”。这条广播信息的内容大概是这样的。“各位网络中的兄弟姐妹，我是住在IP地址192.168.0.2的设备。我的MAC码是AB-CD。我现在要发送数据给住在IP地址192.168.0.3的设备。请192.168.0.3地址的设备告知你的MAC码。” （注意：现实中的MAC码肯定不是AB-CD这 4个字母构成的。这里为了便于您的理解而将MAC地址进行了简化。）
如果手机听到了这条广播就会回复一条信息给ESP8266，大概的信息是这样的：“你好！我是住在192.168.0.3的设备。我的MAC码是EF-GH。”发送这条信息的同时，手机也会把ESP8266所拥有的IP地址以及MAC码记录下来，以备后用。
到这里，ESP8266和手机就彼此知道了对方的IP地址和MAC码了。接下来他们就可以愉快的网络通(Liao)讯(Tian)了。这种让两台完全不认识彼此的设备获取到对方IP和MAC地址的协议就是ARP了。