网络层 —— IP 协议

网络层协议 ——— IP 协议 | CSDN

网络层 IP 协议 | CSDN

为什么大家的 IP 都是 192.168 开头的？| B 站（荐）

【硬核科普】IP 地址是什么东西？IPV6 和 IPV4 有什么区别？公网 IP 和私有 IP 又是什么？| B 站（荐）

1. IP 地址的本质：网络号 + 主机号

IP 地址由两部分组成：

规律：

• 同一子网内：网络号相同，主机号不同。
• 不同子网：网络号不同，主机号可以重复。

举例：

• 子网 A：192.168.1.0/24
• 子网 B：192.168.2.0/24

两个子网的主机号范围都可是 1–254，不冲突，因为网络号不同。

2. IP 地址划分基础

1. 划分目的

根本目的就是为了高效管理、节省地址、提升安全和性能。

最初，互联网只分为 A、B、C 类地址（分类地址），但从 1993 年起，RFC 1519 正式引入 CIDR，CIDR（无类别域间路由） + 子网掩码灵活划分 彻底取代了 A/B/C 类的刚性结构，于是就出现了现代 IP 地址分类图：

问题：

• 某公司有 1000 台主机，用 C 类不够（254），用 B 类又太多（浪费），IP 资源有限，这样分配太粗。
• 而且所有主机在一个广播域，广播风暴、安全隔离都成问题。

所以，必须打破 A/B/C 类的限制，按实际需求“切分”IP 地址块 —— 这就是 子网划分 的核心目的，于是 子网划分 就此出现。

2. CIDR 是什么？

CIDR = Classless Inter-Domain Routing（无类别域间路由），核心思想：不再看第一个字节的前几位来判断是 A/B/C，而是用“斜杠 + 数字”表示网络位长度。 例如：

• 192.168.1.0/24 → 不管它是 C 类，我们说“前 24 位是网络号”
• 10.0.0.0/8 → 不管它是 A 类，我们说“前 8 位是网络号”
• 172.16.0.0/16 → 不管它是 B 类，我们说“前 16 位是网络号”

现在所有网络设备（路由器、交换机、Linux、Windows）都支持 CIDR！ 而我们只需要记住：

1. 私有 IP 地址范围（面试常问！）
   • A 类：10.0.0.0/8 → 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255。
   • B 类：172.16.0.0/12 → 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255。
   • C 类：192.168.0.0/16 → 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255。
2. 公有 IP 地址 → 由 ISP 分配，全球唯一，可用于互联网访问。
3. 子网划分完全基于 CIDR 和子网掩码，与 A/B/C 无关！

3. 什么是子网（Subnet）—— 网络号相同的一组主机

同一子网：网络号相同的一组主机；不同子网：网络号不同的主机。后文会提到。

子网：把原来的一个网络再细分成多个更小的网络（称为“子网”），每个子网都能独立使用。这样做有两个核心目的：

1. 节约 IP 地址 —— 合理利用地址空间。
2. 便于网络管理 —— 不同部门、楼层或业务线用不同子网，方便隔离与路由。

4. 子网掩码（Subnet Mask）

子网划分的关键就是 子网掩码，它用来区分“网络号”和“主机号”。它和 IP 地址配合，告诉设备：“哪些位是网络部分，哪些是主机部分”。常见写法：

• 255.255.255.0（等价于 /24）。
• 255.255.0.0（等价于 /16）。
• 255.255.255.128（等价于 /25）。

记住：/后面的数字 = 网络位的总位数（从左往右数 1 的个数）

1. 举个实际例子

有一个 C 类地址：192.168.1.0/24，默认只能有 1 个网络，254 台主机（192.168.1.1 ~ 192.168.1.254）。但公司有 3 个部门，希望彼此隔离（财务、研发、销售），怎么办？

划分子网！ 把 /24 改成 /26：

• 网络位从 24 位 → 26 位（多借 2 位）。
• 可用子网数：2² = 4 个子网。
• 每个子网主机数：2^(32-26) - 2 = 64 - 2 = 62 台（减 2 是去掉网络地址和广播地址）。

子网划分结果：

3. IP（IPv4） 协议报头解析

IPv4 报头 20 字节起，包含版本、长度、TOS、总长、ID、标志、偏移、TTL、协议、校验和、源/目的 IP。其中 TTL 用于防环，协议号决定上层协议，校验和只保护报头，分片靠 ID + 偏移 + 标志控制。现代网络主要用 CIDR 和 TTL/Protocol，选项基本废弃。

• IP 报头标准长度 = 20 字节（无选项时）
• IP 报头最大长度 = 60 字节（带选项时）
• 本质是内核里的结构体：struct iphdr（Linux 中定义在 <linux/ip.h>）

4. 路由器到底是什么？

路由器 = 有多张网卡的特殊主机。

1. 路由器本质是一台多网卡的专用主机

每个物理/逻辑接口（网卡）连接一个子网，每个接口必须配置一个 属于该子网的 IP 地址，它在每个连接的子网中，都相当于一台普通主机。所以：路由器本身“属于”多个子网，但它 不是普通主机（不跑业务应用，只转发）。

2. 路由器必须至少连接两个子网

一张网卡对应一个子网，两张网卡以上才能“转发”不同子网的数据，所以路由器一定“同时属于多个子网”。否则就叫“单臂路由”或根本不是路由器（比如家用光猫只接一个 LAN，其实是桥接）。

这样它就能把 A 子网和 B 子网互联。

3. 路由器接口 IP 通常是 .1，但不是强制规定！

一般路由器是子网中第一台设备（方便识别）。所以它的地址常为 “网络号 + .1”。例如：192.168.10.0/24 → 路由器常用 IP：192.168.10.1，因为：

• 网络地址（.0）不能用、广播地址（.255）不能用

• .1 最顺手、易记（这不是硬性规定，而是一种行业约定，便于统一管理）。

• 但可以设成 .254、.100，只要在子网范围内就行！

关键：所有主机的“默认网关”要指向这个 IP。

4. 路由器的核心功能

路由器不“构建”子网，它“连接”子网！ 子网是由 IP 地址 + 子网掩码 定义的逻辑网络，物理上靠交换机/网线连接，逻辑上靠路由器互联。

“子网是由 IP 地址和子网掩码定义的逻辑网络，路由器通过多个接口连接不同子网，每个接口配置对应子网的 IP（通常为 .1），负责跨子网 IP 转发和广播隔离。子网划分基于 CIDR，DHCP 仅用于自动分配地址，非路由器核心功能。”

5. 特殊的 IP 地址

我们把 IPv4 的 32 位地址分成两部分：网络号（Net ID） 和 主机号（Host ID）。根据主机号的取值（全 0、全 1、特殊段），出现了几种特殊地址：

提示：

• 主机号全 0：代表“网络本身”。
• 主机号全 1：代表“该网络内的广播”。
• “为什么不能 ping 通 192.168.1.0？” → 因为是网络地址，不是主机。

6. IPv4 地址数量限制

1. 为什么“43 亿” IP 地址不够用？

IPv4 是 32 位二进制地址，理论总数：2³² = 4,294,967,296（约 43 亿）。 实际可用远少于 43 亿：

• 有大量地址被保留（例如环回、私网、广播等）。
• 每个设备的 每张网卡 都要一个 IP（一台服务器常常有多个网卡，就要多个 IP）。
• 早期大公司（如 MIT、Ford）拿走了整段 A 类地址（1600 万个 IP），导致 地址分配不均，造成巨大浪费。
• 网络分段、地址浪费（如传统 A/B/C 类）。
• 不能按主机数分配：即使一台电脑，也可能配多个 IP（虚拟主机、容器等）。

2. 如何解决 IPv4 地址枯竭？

1. 动态分配 IP（DHCP）

原理：IP 地址池共享，设备上线时分配，下线时回收。优点：提高利用率，局限：无法解决“同时在线设备数 > 可用公网 IP”的问题。 场景：

• 家庭/公司路由器：100 台设备，但只有 50 人同时在线 → 只需 50 个 IP。
• 学校机房：500 台电脑，但分批使用 → IP 复用。

2. NAT（网络地址转换）—— 最广泛应用！

原理：内网用私有 IP（如 192.168.x.x），出公网时由路由器将 私有 IP + 端口 映射为 一个公网 IP + 不同端口。

• 效果： 成千上万台内网设备，共享 1 个公网 IP 上网，公网看不到内网结构，还提升了安全性。
• 类型：
  • SNAT（源 NAT）：内网 → 外网（最常见）。
  • DNAT（目的 NAT）：外网 → 内网（如端口映射：公网 80 → 内网 192.168.1.100:80）。
• Linux 实现：iptables / nftables 的 MASQUERADE 或 SNAT 规则。

NAT 是解决 IPv4 地址不足的核心技术，通过端口复用实现多对一映射。

3. IPv6 —— 终极解决方案

地址长度：128 位 → 地址数 = 2¹²⁸ ≈ 3.4×10³⁸（地球每平方米可分配 10²⁸ 个 IP！）。特点：

• 无 NAT（理论上每个设备都有公网 IP）。
• 自动配置（SLAAC）。
• 报头更简洁，支持流标签、安全扩展。

虽然 IPv6 是未来，但因历史包袱和成本，IPv4 + NAT 仍是当前主流。

3. 杂谈

中国的 IPv6 技术目前遥遥领先！

中国的互联网设备数量庞大——光是手机、电脑、物联网设备加起来，早已超过这个数十倍。所以必须找一个更大的地址空间方案，就是 IPv6。对中国来说，这意味着 从根本上解决地址短缺、NAT 层层嵌套等痛点问题。从国家战略层面来说：是为了实现自主可控 + 下一代网络主导权：

• IPv6 是未来网络的核心基础，涉及骨干网、物联网、云计算、AI 等所有领域。
• 早早布局 IPv6，可以减少对旧技术的依赖，在全球网络标准中占据话语权。

1. 为什么不能“一键切换” IPv4 → IPv6？

这点很多人误解了。IPv6 并不是 IPv4 的“升级包”，而是一个 全新的协议体系。具体困难主要在三点：

1. 不兼容设计： IPv4 和 IPv6 报头结构完全不同，IPv6 无法直接理解 IPv4 报文（例如校验和、地址长度都不同）。所以 IPv4 网络设备、路由器、应用软件都得重新支持 IPv6。
2. 全球网络规模太庞大： 互联网中有无数旧设备、老系统（银行、工厂、政府网络等）仍在用 IPv4，不可能让全球数十亿设备在同一时刻同时换协议。
3. 转换与过渡成本太高： 企业需要重新配置网络、防火墙、DNS、安全策略，用户端还要兼容双栈（IPv4 + IPv6）运行，否则很多旧网站上不了。所以现在全球都采用“双栈机制”：IPv4 和 IPv6 并行运行，慢慢过渡。

7. 私网 IP 地址和公网 IP 地址

私有 IP 用于内网通信，公网 IP 全球唯一；运营商通过光纤、基站和 IP 分配构建网络基础设施；全球互联网像大学层级体系，靠子网掩码和路由表实现高效寻址；NAT 技术将私有 IP 映射为公网 IP，使内网设备能访问互联网，是 IPv4 时代解决地址枯竭的核心机制。

1. 私有 IP 与 公网 IP：谁负责“内部”，谁负责“对外”

私有 IP 就像“宿舍楼房间号”，只有本楼人懂；公网 IP 是“身份证号”，全国唯一。

2. 运营商：互联网的“基建狂魔”

运营商即互联网服务提供商，它们的作用可以分为两层：

1. 基础设施建设： 铺设光纤、建基站、建骨干网、机房、IDC 等，就像大学建教学楼、宿舍楼、操场，提供“物理层”环境。

2. 提供网络接入：

   • 分配公网 IP：家庭宽带、移动数据、企业专线等。

   • 提供接入服务：光猫（调制解调器）把光纤信号转成电信号，路由器再分发给内网设备，路由器再给每台设备分配 私有 IP，并通过 NAT 技术“借用”一个 公网 IP 出门上网。

   • 维护骨干网：确保跨省、跨国流量高效转发。

3. 全球互联网与网段划分 —— 大学的“层级管理”

互联网的 IP 地址分配体系非常像大学的组织结构：

学号类比： 每个学生（设备）都有唯一“学号”（IP），通常学号前几位能看出学院、年级、专业（就像子网掩码划分出的网段），如果学生证（IP）丢了，被其他学院的人（另一个网络）捡到，也能通过学号前缀快速查出属于哪个学院（网段）——这就是 路由转发原理。

4. 私有网络与公网的关系：靠 NAT 桥接

问题： 私有 IP 不能上公网！因为公网路由器 不认识 192.168.1.100，会直接丢弃，而且全球有无数个 192.168.1.100，无法区分。

解决方案：NAT（网络地址转换），工作过程：

1. 你（192.168.1.100:50000）访问 www.baidu.com:80。
2. 路由器收到包，把源 IP 改成自己的公网 IP（如 203.0.113.45），端口映射为 60000。
3. 发往公网：源=203.0.113.45:60000，目的 = 110.242.68.4:80。
4. 百度回包给 203.0.113.45:60000。
5. 路由器查 NAT 表，还原为 192.168.1.100:50000，转发给你。

效果：成千上万台内网设备，共享 1 个公网 IP，外网无法主动访问内网（天然防火墙），节省公网 IP 资源（核心价值！）。

云服务器为什么需要公网 IP？ 因为我们要主动访问它（如 SSH、Web 服务），它必须有一个 全球可达的地址，所以云厂商会分配公网 IP（或通过 EIP 弹性绑定）。

8. NAT 技术的核心作用：让有限的公网 IP 服务更多设备

1. NAT 是什么？

NAT（Network Address Translation） —— 网络地址转换。它的本质是：在数据包经过路由器时，动态修改 IP 地址（以及端口号），以便多个内网设备共用一个公网 IP 上网。

2. 为什么需要 NAT？

IPv4 只有约 43 亿个地址（2³² 个），但设备早就远超这个数量。于是：每个家庭、公司内部设备（电脑、手机、打印机…）都使用 私有 IP，路由器对外只暴露一个 公网 IP，NAT 技术负责在出入网时做“翻译”。

3. NAT 的工作过程

假设：

• 家庭内网：192.168.0.10（你的电脑）。
• 路由器公网 IP：42.101.8.5。

你访问百度时：源 IP = 192.168.0.10 → 目的 IP = 180.101.49.12（百度），在出网时，NAT 做了替换：源 IP = 42.101.8.5:40001（公网IP+端口） → 目的 IP = 180.101.49.12，路由器保存一条映射表：42.101.8.5:40001 ↔ 192.168.0.10:12345，当百度返回数据时：目的 IP = 42.101.8.5:40001。路由器查表，发现要转给内网的 192.168.0.10，于是数据成功回到你的电脑。

好处： 成千上万设备共享一个公网 IP，屏蔽内网结构，提高安全性，有效缓解 IPv4 地址不足问题。

4. NAT 的三种常见类型（按转换粒度区分）

家用路由器几乎都是 PAT（端口复用型 NAT）。因为只有一个公网 IP，但要让几十台设备同时上网，必须通过不同端口区分。

大公司网络虽与家用网络共享 IP 路由原理，但采用精细 IP 规划、多层架构和有限 NAT 策略，对外服务通常直接使用公网 IP 以保障性能与可靠性，其高昂费用主要来自公网 IP、专线带宽和高可用基础设施。家庭路由器是 NAT 的小型实现，大公司机房是它的企业级放大版。运营商卖的不是“网速”，而是带宽 + 公网资源 + 可靠性。

9. 路由转发原理：IP 报文如何找到“回家的路”

1. 基本逻辑

所有 IP 报文的转发都是根据 目的 IP 地址 来决定的，与源 IP 无关。无论是主机还是路由器，都维护着一张 路由表，都靠 本地路由表 决定“下一跳去哪”。路由表每一项通常包括：

2. 查找路由表的过程

当主机要发送数据时，它会：

1. 先判断目标是否在同一网段：
   • 用自己的 IP 与目标 IP 分别和子网掩码做按位与；
   • 若结果相同 → 同一网段，直接通过局域网（ARP 找 MAC）通信；
   • 若不同 → 不同网段，交给默认网关（通常是路由器）。
2. 路由器转发时：
   • 路由器查自己的路由表；
   • 对每一条记录执行 (目标IP & 子网掩码)；
   • 找出最长匹配的网段（即 最长前缀匹配原则）；
   • 按照该记录指示的接口或下一跳转发。

比喻理解：主机查路由表就像问路

• 有人告诉你“到市中心走这条路”（有明确路）。
• 有人说“我不知道，但我知道到高速入口怎么走”（下一跳）。
• 若没人知道，就交给默认路由（缺省出口）。

3. 大概转发过程

1

[主机A] → [家用路由器] → [运营商路由器] → [目标网络路由器] → [主机B]

每经过一个路由器：路由器查路由表，目的 IP 不变，源 MAC、目的 MAC 每跳都会变（数据链路层负责）。

关键点：网络层靠 IP 地址确定“去哪”，数据链路层靠 MAC 地址确定“怎么到下一跳”。

10. IP 分片机制：大报文如何被拆开传输？

1. 为什么要分片？

因为不同链路的最大传输单元（MTU）不同。比如：以太网 MTU = 1500 字节，若 IP 报文超过 1500 字节，就必须拆分，否则底层帧发不出去。

2. 分片的字段结构

IP 报头里有三个关键字段：

Flags 含义如下：

• bit0：保留。
• bit1：DF（Don’t Fragment）是否允许分片。
• bit2：MF（More Fragment）是否还有后续分片。

举例：MF = 1 表示后面还有分片，MF = 0 且 Offset = 0 表示仅此一个分片。

3. 分片与组装

分片在发送端或中间路由器完成，组装必须在接收端完成。 如果一个分片丢了，即使其他分片都到了，整份报文也无法重组，只能重传，增加延迟和负担。因此：网络设计时会 尽量避免分片，TCP 会在三次握手阶段协商 MSS，控制单次传输不超过 MTU（常见 1460 字节）。

4. 为什么不建议分片？

• 增加路由器 CPU 开销；
• 增加丢包概率；
• 丢一个片就得重传整个报文；
• 对实时性要求高的通信极其不利（如视频流）。

所以实际网络中：分片尽量只在端系统进行，路由器最好只转发，不分片。

11. 数据链路层简述：局域网内的一跳通信

IP 报文转发靠查路由表，逐跳找到目标网络；若目标过大，IP 层会按 MTU 进行分片，接收端再组装；而每一跳之间的实际传输靠 MAC 帧完成，MAC 只在局域网内有效。

虽然之后会细讲，但这里要先有个框架，可以先做一个简单了解。

1. 主要作用

负责 点对点或点对多点的数据传输，以 MAC 帧（Frame） 为基本传输单位，通过 MAC 地址 标识网络设备。

2. 通信过程（以以太网为例）

发送方将 IP 报文封装为 MAC 帧，MAC 帧头包含：目的 MAC、源 MAC、类型字段，所有主机都能收到这个帧，只有目的 MAC 匹配的主机才会上交给上层处理。这一层只在局域网中有效，数据一旦跨路由器转发，MAC 地址必然变化。

3. 数据帧长度与碰撞

有效载荷：46–1500 字节，过短帧会触发填充，过长则被丢弃，交换机通过分隔碰撞域减少冲突。