网络层：从 IP 协议到路由转发

深入理解网络层：从 IP 协议到路由转发，一篇搞定核心知识点

在 TCP/IP 协议栈中，网络层是连接 “局部” 与 “全局” 的关键 —— 它解决了跨网络通信的路径选择问题，让两台身处不同局域网的主机能通过路由器找到彼此。如果把互联网比作 “全球快递网络”，那么网络层就是 “快递调度中心”：IP 协议是包裹的 “地址标签”，路由是 “配送路线规划”，而分片组装则是 “超大包裹拆分与重组”。今天我们就从基础概念到实际流程，彻底吃透网络层的核心知识。

一、先搞懂网络层的 3 个基本角色

在开始复杂的协议细节前，先明确网络中 3 个核心设备的定义 —— 这是理解后续内容的基础：

角色	核心特征	典型设备
主机	有 IP 地址，但不负责 “路径规划”（不路由）	你的电脑、手机
路由器	有 IP 地址，且能 “规划路径”（核心路由设备）	家用路由器、运营商路由器
节点	主机和路由器的统称（网络中的 “参与单元”）	-

简单说：主机只负责 “发 / 收包裹”，路由器负责 “给包裹指路”，节点则是所有 “能处理包裹” 的设备总称。

二、IP 协议头：数据包的 “身份证 + 说明书”

每个 IP 数据包都带着一个 “头部”（类似快递单），里面记录了数据包的关键信息。我们以IPv4 协议头为例，拆解核心字段（共 20 字节固定部分 + 可选字段）：

字段（Field）	位数	核心作用
版本（Version）	4	标识 IP 版本（IPv4 填 4，IPv6 填 6）
头部长度（Header Len）	4	IP 头的长度（单位：32bit），最大 15×4=60 字节（含可选字段）
服务类型（TOS）	8	优先级（已弃用）+ 4 个服务选项（选 1 个）：最小延时（ssh/telnet）、最大吞吐量（ftp）等
总长度（Total Len）	16	IP 数据包总大小（头部 + 数据），最大 65535 字节
标识（ID）	16	唯一标识一个数据包（分片后，所有分片的 ID 相同）
标志（Flags）	3	1 位保留 + 1 位 DF（禁止分片，超 MTU 则丢弃）+1 位 MF（更多分片，最后一片置 0）
片偏移（Fragment Offset）	13	分片在原数据包中的位置（单位：8 字节），确保组装顺序
TTL（生存时间）	8	数据包最大 “跳数”（每过一个路由器减 1，到 0 丢弃），防止路由循环（默认 64）
协议（Protocol）	8	指示上层协议（TCP=6，UDP=17，ICMP=1）
首部校验和（Checksum）	16	校验 IP 头部是否损坏（用 CRC 算法）
源 IP 地址（Source IP）	32	数据包的 “出发地” IP
目的 IP 地址（Dest IP）	32	数据包的 “目的地” IP

这些字段里，TTL、标识、标志、片偏移是后续 “路由” 和 “分片” 的关键，一定要记牢 —— 比如 TTL 能避免数据包在 “路由器环路” 里无限循环，片偏移能让分片后的数据包正确重组。

三、网段划分：从 “浪费” 到 “精打细算” 的进化

IP 地址是 32 位整数（比如 192.168.1.1），但它不是 “一个整体”—— 而是分成网络号（哪个小区）和主机号（哪个住户）两部分。网段划分的核心，就是 “合理切分这两部分”，避免 IP 地址浪费。

1. 传统分类：简单但浪费的 “一刀切”

早期 IP 地址按 “首段数字” 分成 5 类，每类的网络号 / 主机号位数固定：

类别	首段范围	网络号位数	主机号位数	最大主机数（减 2：网络号 / 广播号）	问题
A 类	0.0.0.0~127.255.255.255	7	24	16777214（约 1600 万）	主机数太多，多数场景浪费
B 类	128.0.0.0~191.255.255.255	14	16	65534（约 6 万）	企业常用，但很快分配完
C 类	192.0.0.0~223.255.255.255	21	8	254（约 200）	主机数太少，不够用
D 类	224.0.0.0~239.255.255.255	-	-	多播地址（不分配给主机）	-
E 类	240.0.0.0~247.255.255.255	-	-	保留（未使用）	-

比如一个企业申请 B 类地址，理论能连 6 万台主机，但实际最多用几千台 —— 大量 IP 地址被浪费，最终导致 B 类地址很快耗尽。

2. CIDR：灵活划分的 “救星”

为解决浪费问题，无类域间路由（CIDR） 应运而生。它的核心是用子网掩码（32 位整数，比如 255.255.255.0）来 “自定义” 网络号位数，不再受 A/B/C 类限制。

关键规则：

1. 子网掩码的 “1” 对应 IP 地址的 “网络号”，“0” 对应 “主机号”；

2. IP 地址与子网掩码做按位与运算，结果就是 “网络号”；

3. 简化表示：IP地址/网络号位数（比如 140.252.20.68/24，代表前 24 位是网络号）。

举个例子（文档中的实际案例）：

场景	IP 地址	子网掩码	网络号（按位与结果）	地址范围（主机号 0~ 全 1）
例子 1	140.252.20.68	255.255.255.0	140.252.20.0	140.252.20.0~140.252.20.255
例子 2	140.252.20.68	255.255.255.240	140.252.20.64	140.252.20.64~140.252.20.79

比如例子 2 中，子网掩码 255.255.255.240（二进制 11111111.11111111.11111111.11110000），前 28 位是网络号，后 4 位是主机号 —— 所以主机数只有 16 个（2^4），刚好满足小团队使用，避免浪费。

四、特殊 IP 地址：这些 “特殊用途” 要记牢

不是所有 IP 地址都能分配给主机，有些有固定用途，常见的有 3 类：

1. 网络号：主机号全为 0 的 IP（比如 192.168.1.0/24），代表 “整个网段”，不能分配给主机；

2. 广播地址：主机号全为 1 的 IP（比如 192.168.1.255/24），发往这个地址的数据包，网段内所有主机都能收到；

3. 环回地址：127.* 开头的 IP（常用 127.0.0.1），用于 “本机测试”（比如 ping 127.0.0.1，能检测本机 IP 协议是否正常）。

五、私有 IP 与 NAT：解决 “公网 IP 不够用” 的难题

IPv4 只有约 43 亿个地址，而全球设备远超这个数 —— 怎么解决？答案是 “私有 IP+NAT” 组合。

1. 私有 IP：内网专用的 “临时地址”

RFC 1918 规定了 3 段 “私有 IP 地址”，只能在局域网内使用，不能直接连公网（运营商不会路由这些地址）：

• 10.0.0.0~10.255.255.255（10.*，约 1677 万个地址）；

• 172.16.0.0~172.31.255.255（172.16-31.*，约 104 万个地址）；

• 192.168.0.0~192.168.255.255（192.168.*，约 6 万个地址）。

比如你家的路由器，给手机、电脑分配的都是 192.168.1.* 这样的私有 IP—— 这些地址在其他家庭的局域网里可能重复，但没关系，因为它们只在 “内网生效”。

2. NAT：私有 IP 转公网 IP 的 “翻译官”

内网主机要访问公网（比如刷抖音），需要把 “私有 IP” 换成 “公网 IP”—— 这个过程就是网络地址转换（NAT），由路由器完成：

1. 你手机[phone]）发数据包到抖音服务器（公网 IP）；

2. 家用路由器把数据包的 “源 IP” 换成自己的 “WAN 口公网 IP”（比如 122.77.241.3）；

3. 抖音服务器的响应数据包，先发给路由器的公网 IP；

4. 路由器再把 “目的 IP” 换回你手机的私有 IP，发给你。

通过 NAT，一个公网 IP 能让整个局域网的设备共享上网 —— 极大缓解了公网 IP 不足的问题。

六、路由：数据包的 “导航系统”

当数据包从源主机出发，要到达千里之外的目的主机，靠的就是 “路由”—— 路由器通过 “路由表”，决定每一步该发给哪个下一跳设备。

1. 路由表：路由器的 “地图”

每个路由器 / 主机都有一张 “路由表”，记录了 “到某个网段，该走哪条路”。我们看一张实际的路由表示例（用route命令查看）：

目的网络（Destination）	网关（Gateway）	子网掩码（Genmask）	接口（Iface）	标志（Flags）
192.168.10.0	0.0.0.0	255.255.255.0	eth0	U
192.168.56.0	0.0.0.0	255.255.255.0	eth1	U
127.0.0.0	0.0.0.0	255.0.0.0	lo	U
default（0.0.0.0）	192.168.10.1	0.0.0.0	eth0	UG

字段解读：

• 目的网络：要去的 “网段”（比如 192.168.56.0/24）；

• 网关：下一跳设备的 IP（0.0.0.0 表示 “直接连接”，不用经过其他路由器）；

• 标志：U = 该条目有效，G = 下一跳是路由器；

• default：缺省路由（“找不到具体路线时，默认走这里”）。

2. 路由转发过程：跟着 “地图” 走

我们用两个例子，看数据包怎么 “导航”：

例子 1：目的地址 192.168.56.3

1. 数据包到主机，查路由表：

• 与 192.168.10.0 的掩码做与运算，结果不是 192.168.10.0（不匹配）；

• 与 192.168.56.0 的掩码做与运算，结果是 192.168.56.0（匹配）；

1. 从 eth1 接口直接发送（网关是 0.0.0.0，说明网段直接连接）。

例子 2：目的地址 202.10.1.2（公网 IP）

1. 数据包到主机，查路由表：

• 与 192.168.10.0、192.168.56.0、127.0.0.0 都不匹配；

1. 走缺省路由，从 eth0 接口发给网关 192.168.10.1；

2. 192.168.10.1 路由器再查自己的路由表，继续转发，直到到达目的主机。

七、IP 分片与组装：超大数据包的 “拆分与重组”

数据链路层有 “MTU（最大传输单元）” 限制 —— 比如以太网的 MTU 是 1500 字节，意味着一次最多传 1500 字节的数据。如果 IP 数据包超过 MTU，就需要 “分片”；到了目的主机，再 “组装” 成完整数据包。

1. 分片的关键字段（回顾 IP 协议头）

• 标识（ID）：同一数据包的所有分片，ID 相同（目的主机靠 ID 识别 “哪些分片是一伙的”）；

• 标志（Flags）：MF=1 表示 “还有下一片”，MF=0 表示 “最后一片”；DF=1 表示 “禁止分片”（超 MTU 则丢弃）；

• 片偏移：分片在原数据包中的位置（单位：8 字节）—— 比如偏移 = 0，代表这是第一片；偏移 = 185，代表这是第二片（185×8=1480 字节，即第一片数据长度）。

2. 分片与组装流程（以 3000 字节数据包为例）

假设 IP 头 20 字节，MTU=1500 字节（数据部分最多 1480 字节）：

分片过程（路由器 / 源主机）：

1. 原始数据包：总长度 3020 字节（IP 头 20 + 数据 3000）；

2. 第一片：IP 头 20 + 数据 1480（总长度 1500），ID=123，MF=1，片偏移 = 0；

3. 第二片：IP 头 20 + 数据 1480（总长度 1500），ID=123，MF=1，片偏移 = 185（1480/8）；

4. 第三片：IP 头 20 + 数据 40（总长度 60），ID=123，MF=0，片偏移 = 370（2960/8）；

5. 三片分别独立发送，可能走不同路由。

组装过程（目的主机）：

1. 接收分片，按 “ID” 分组（把 ID=123 的分片归为一组）；

2. 按 “片偏移” 排序（0→185→370）；

3. 检查 “MF 标志”：当收到 MF=0 的分片，说明所有分片已到；

4. 拼接所有分片的数据部分，加上原始 IP 头（或重新封装），传给上层协议（TCP/UDP）。

关键注意：IP 分片对传输层透明——TCP/UDP 完全不知道数据包被分片了，只负责接收组装后的完整数据。

八、总结：网络层的 “核心逻辑链”

最后我们用一句话串联所有知识点，帮你形成框架：

网络层通过 IP 协议给数据包 “贴标签”（源 / 目 IP），用 CIDR 和 NAT 解决 “IP 地址不够用” 的问题，靠路由表规划 “配送路径”，用分片组装解决 “MTU 限制”，最终实现跨网络的数据包传输。

如果想加深理解，建议动手实操：

• 用ipconfig（Windows）或ifconfig（Linux）看自己的 IP 和子网掩码；

• 用route print（Windows）或route -n（Linux）看路由表；

• 用ping ``127.0.0.1测试环回地址，用ping 百度IP测试公网连通性。