计算机网络Day01
计算机网络网络层学习总结：从寻址到路由的核心逻辑
最近花了几天时间啃完计算机网络的网络层的一小部分，从一开始对着“数据报”“虚电路”一头雾水，到现在能理清IP地址划分和路由转发的逻辑，总算有了些眉目。这篇博客就以我的学习视角，把网络层的核心知识点串一遍，也给同样在学的小伙伴做个参考～
一、网络层：到底在解决什么问题？
先搞懂网络层的定位——它是“跨网络传输的指挥官”。比如我们在家用WiFi发消息到公司服务器，数据要经过家庭路由器、运营商网络、公司网关等多个网络，网络层的核心任务就是把数据准确送到目标地址，具体要做两件事：
- 寻址：确定目标设备的“网络位置”（比如
IP地址）； - 路由选择：选一条从源到目的的
最优路径（比如走电信还是联通的链路）。
二、网络层的两种传输方式：数据报 vs 虚电路
网络层有两种核心传输模型，刚开始总搞混，后来画了个对比表才算分清，本质是“要不要先建连接”的区别：
| 对比维度 | 数据报（无连接服务） | 虚电路（有连接服务） |
|---|---|---|
| 连接建立 | 无需建立，直接发 | 传输前先建虚拟电路 |
| 地址携带 | 每个数据包带完整源/目的IP | 数据包只带简短“虚电路号” |
| 路径选择 | 每个数据包独立选路（可能走不同路） | 所有数据包走同一条固定路径 |
| 可靠性 | 不保证（可能丢包、乱序） | 保证（按序到达，有确认重传） |
| 适用场景 | 实时应用（视频会议、手游） | 可靠传输场景（文件下载、邮件） |
| 代表协议 | IP协议（我们常用的互联网就是数据报网络） | X.25、ATM（早期电信网络用得多） |
举个直观的例子：数据报像寄快递，每个包裹都写全地址，快递员可能走不同路线；虚电路像打电话，先拨通建立连接，通话过程中数据都走这条“专线”。
三、IP地址：设备的“网络身份证”
IP地址是网络层的“核心语言”，32位二进制数（通常转成点分十进制，比如192.168.1.1），但不是“一台设备一个IP”，而是“一个网络接口一个IP”——比如路由器有3个接口，就有3个IP地址。
3.1 传统IP地址分类（A/B/C类）
早期IP地址按“网络号+主机号”的固定长度划分，虽然现在有CIDR，但分类是基础，必须记：
| 地址类别 | 二进制开头 | 有效网络号范围 | 网络号长度 | 主机号长度 | 单个网络最大主机数 |
|---|---|---|---|---|---|
| A类 | 0 | 1.0.0.0~126.255.255.255 | 7位 | 24位 | (2^{24}-2)（约1677万，减2是去掉全0网络地址和全1广播地址） |
| B类 | 10 | 128.1.0.0~191.255.255.255 | 14位 | 16位 | (2^{16}-2)（约65534） |
| C类 | 110 | 192.0.1.0~223.255.255.255 | 21位 | 8位 | (2^8-2)（254） |
这里要注意两个坑：
- A类的127.x.x.x是“回环地址”，用于本机测试（比如ping 127.0.0.1测TCP/IP协议栈）；
- 全0地址（0.0.0.0）表示“
本网络的本主机”，只能当源地址（比如主机刚启动没IP时用）；全1地址（255.255.255.255）是全网广播，路由器不转发。
3.2 私有IP地址：内部网络的“专属地址”
公网IP不够用？于是有了“私有IP”——只在内部网络用，公网路由器不转发，比如家里的手机、电脑用的都是私有IP：
| 类别 | 私有IP范围 | 子网掩码 |
|---|---|---|
| A类 | 10.0.0.0~10.255.255.255 | 255.0.0.0 |
| B类 | 172.16.0.0~172.31.255.255 | 255.255.0.0 |
| C类 | 192.168.0.0~192.168.255.255 | 255.255.255.0 |
3.3 子网划分与CIDR：解决地址浪费
传统分类有个问题：比如一个小公司要100台主机，选C类（最多254台）会浪费154个，选B类（6万多）更浪费——这时候“子网划分”就派上用场了。
子网划分原理
从“主机号”里拆一部分当“子网号”，比如B类地址（网络号14位+主机号16位），拆8位当子网号，就变成“网络号14位+子网号8位+主机号8位”，这样一个B类地址能拆成256个子网，每个子网最多254台主机，大大减少浪费。
子网掩码：怎么判断IP属于哪个子网？
子网掩码是“区分网络/子网部分”的工具，和IP地址做按位与运算，结果就是“网络地址”。
举个例子：IP=162.15.13.56，子网掩码=255.255.0.0（B类默认掩码）
二进制计算：
IP：10100010.00001111.00001101.00111000
掩码：11111111.11111111.00000000.00000000
按位与结果：10100010.00001111.00000000.00000000 → 162.15.0.0（网络地址）
CIDR：灵活的地址划分
后来子网划分也不够灵活，就有了CIDR（无类别域间路由），用“x.x.x.x/L”表示，L是“网络前缀长度”（比如192.168.1.0/24，代表前24位是网络前缀，后8位是主机号）。
CIDR打破了A/B/C类的限制，比如想要200台主机，只需要前缀长度23位（主机号9位，(2^9-2=510)台），更高效。
四、路由：数据怎么选路？
知道了IP地址，接下来要解决“数据怎么从源到目的”——这就是路由的核心，先分清两个易混概念：
- 路由（Routing）：选路径的过程（比如从北京到上海，选高铁还是飞机）；
- 转发（Forwarding）：选好路径后，路由器把数据包从一个接口传到下一个接口的动作（比如高铁上的站点停靠）。
4.1 路由算法：静态 vs 动态
路由算法分两类，本质是“路径要不要手动配”：
| 对比维度 | 静态路由 | 动态路由 |
|---|---|---|
| 配置方式 | 管理员手动写路由表 | 路由器通过协议自动学习（比如OSPF、RIP） |
| 适应性 | 网络变了要手动改，不灵活 | 网络拓扑变了自动更新路由表 |
| 适用场景 | 小型网络（比如家庭、小公司） | 中大型网络（比如运营商、企业园区网） |
| 故障恢复 | 要人工干预，恢复慢 | 自动算新路径，恢复快 |
实际场景中会“混合用”：比如公司核心层用动态路由（应对复杂网络变化），边缘层用静态路由（简化管理）。
4.2 动态路由的两种核心算法
动态路由算法主要分两类，各有特点：
-
距离向量路由算法
- 原理：路由器只跟邻居分享“自己到各个网络的距离”（比如跳数），像“传话”一样扩散路由信息；
- 代表协议：RIP（适用于小型网络）；
- 缺点：有“无穷计数问题”（比如某条链路断了，路由信息扩散慢，可能导致环路）。
-
链路状态路由算法
- 原理：每个路由器都“知道全网拓扑”（通过广播自己的链路状态，比如带宽、延迟），然后自己算最优路径；
- 优势：收敛快（算路径快）、路径优；
- 缺点：配置复杂，对路由器性能要求高；
- 代表协议：OSPF（企业网常用）。
4.3 路由转发的关键规则：最长前缀匹配
路由器转发数据包时，会从路由表中选“和目的IP重叠位数最多”的路由——这就是“最长前缀匹配”，确保路径精准。
举个例子：路由表有两条路由：
- 路由A：
192.168.1.0/24（覆盖192.168.1.1~192.168.1.254）； - 路由B：
192.168.0.0/22（覆盖192.168.0.1~192.168.3.254）。
当数据包目的IP是192.168.1.100时：
- 和A匹配：重叠24位（完全命中
192.168.1.x）； - 和B匹配：重叠22位（命中
192.168.0.0/22大网段）； - 最终选A路由，避免数据走冗余路径。
4.4 路由聚合：简化路由表
如果路由器要维护上百条细分子网路由，会很耗资源——“路由聚合”就是把多个小前缀合并成一个大前缀，减小路由表体积。
比如路由器连接了3个子网：192.24.0.0/21、192.24.8.0/22、192.24.16.0/20，通过聚合可以合并成一个更大的前缀，让路由表更简洁，转发更快。
五、IP数据报：网络层的数据载体
最后补一个细节：网络层传输的数据单元叫“IP数据报”，由“首部+数据”组成，首部里有几个关键字段要记：
- 版本：IPv4（32位）或IPv6（128位）；
- 生存时间（TTL）：防止数据包在网络中无限循环（每经过一个路由器减1，减到0就丢弃）；
- 源/目的IP地址：数据的起点和终点；
- 首部校验和：检查首部是否传错（数据部分的校验交给上层协议，比如TCP）。
六、学习心得
网络层的知识点环环相扣：从IP地址的划分，到子网掩码的计算，再到路由算法和转发规则，缺一个都容易卡壳。我的方法是“先搭框架，再填细节”——先搞懂“网络层要解决什么问题”，再逐个突破“寻址”“路由”“传输方式”这几个核心模块，遇到不懂的就画示意图（比如子网划分的二进制拆分），慢慢就通了。
接下来打算学传输层（TCP/UDP），据说比网络层更复杂，大家有好的学习方法也欢迎在评论区交流～