网络通信的奥秘：网络层ip与路由详解（四）

⽹络层

IP协议

• 主机:配有IP地址,但是不进⾏路由控制的设备;
• 路由器:即配有IP地址,⼜能进⾏路由控制;
• 节点:主机和路由器的统称;

协议头格式

1. 4 位版本

作用：表示 IP 协议的版本，比如常见的 IPv4（咱们日常上网大多用这个）、IPv6（未来的大趋势，地址更多）。

2. 4 位首部长度

作用：说明 IP 首部有多少个 32 位（4 字节）的块，由此算出首部总长度。因为后面可能有 “选项” 字段，所以首部长度不是固定的（但最小是 20 字节，也就是 5 个块：5×4=20）。

3. 8 位服务类型（TOS）

作用：告诉网络 “我想要什么样的服务”，比如是要速度快（如视频通话）、可靠性高（如银行转账），还是成本低（如普通文件传输）。

4. 16 位总长度（字节数）

作用：整个 IP 数据报（首部 + 数据）的总字节数。

5. 16 位标识 + 3 位标志 + 13 位片偏移

• 16 位标识：给每个数据报一个 “身份证号”，确保分片后能对应上。
• 3 位标志：有个 “是否允许分片” 的标记，还有 “是否是最后一片” 的标记。
• 13 位片偏移：表示这片在原数据报中的位置（以 8 字节为单位），方便重组。

6. 8 位生存时间（TTL）

作用：数据报在网络中能经过的最大路由器数（每经过一个路由器，TTL 减 1，减到 0 就丢弃），防止数据报在网络里 “转圈” 耗资源。

7. 8 位协议

作用：说明 IP 首部后面的 “数据” 是哪种协议的（比如 TCP、UDP、ICMP 等），方便目的地主机处理。

8. 16 位首部检验和

作用：检测 IP 首部在传输中是否被篡改或出错（计算首部的校验和，到达时再算一次比对，不一样就丢弃）。

9. 32 位源 IP 地址 + 32 位目的 IP 地址

作用：分别是 “sender（发送方）” 和 “ receiver（接收方）” 的 IP 地址，相当于快递的 “寄件人地址” 和 “收件人地址”。

10. 选项（如果有） + 数据

• 选项：是一些可选功能（比如记录路由、时间戳等，很少用，所以首部默认 20 字节）。
• 数据：就是真正要传输的内容（比如网页、视频、聊天消息等）。

地址管理

⽹段划分

IP地址分为两个部分,⽹络号和主机号

⽹络号:保证相互连接的两个⽹段具有不同的标识;

主机号:同⼀⽹段内,主机之间具有相同的⽹络号,但是必须有不同的主机号;

• 不同的⼦⽹其实就是把⽹络号相同的主机放到⼀起.
• 如果在⼦⽹中新增⼀台主机,则这台主机的⽹络号和这个⼦⽹的⽹络号⼀致,
• 但是主机号必须不能和 ⼦⽹中的其他主机重复. 
• 通过合理设置主机号和⽹络号,就可以保证在相互连接的⽹络中,每台主机的IP地址都不相同.

CIDR

要理解CIDR（无类别域间路由，Classless Inter-Domain Routing），可以把它类比成城市道路的 “区间编号法”，解决传统 IP 地址分配的 “浪费” 和 “管理复杂” 问题。下面用大白话 + 类比详细拆解：

一、先搞懂 “传统 IP 分类” 的痛点

早期 IP 地址分 A、B、C 类（比如 A 类是 “大区域”，给大公司；C 类是 “小区域”，给小网吧），但这种分类很浪费：

• 比如一家小公司要 100 个 IP，C 类只有 254 个（但可能用不完），A 类又给 1600 多万个（太浪费）；
• 同时，不同类别边界固定，路由表条目多，管理麻烦。

二、CIDR 的核心逻辑：“斜线记法”+“地址聚合”

CIDR 打破了 A、B、C 类的边界，用 **“网络前缀长度”** 来划分地址（比如192.168.1.0/24，/24表示前 24 位是网络位，后 8 位是主机位）。

1. 斜线记法（Prefix Length）

格式是IP地址/网络前缀位数，比如：

• 10.0.0.0/8：前 8 位是网络位，对应传统 A 类；
• 172.16.0.0/16：前 16 位是网络位，对应传统 B 类；
• 192.168.1.0/24：前 24 位是网络位，对应传统 C 类；
• 还可以是192.168.1.0/22（前 22 位是网络位，跨了传统的 C 类边界）。

类比：把 IP 地址看成 “城市街道地址”，/24就是 “XX 市 XX 区 XX 街道”（前 24 位定位到街道，后 8 位定位到具体门牌号）；/22就是 “XX 市 XX 区”（范围更大，包含多个街道）。

2. 地址聚合（路由汇总）

CIDR 可以把多个小网络 “合并” 成一个大网络，减少路由表的条目。

• 比如有 4 个 C 类网络：192.168.1.0/24、192.168.2.0/24、192.168.3.0/24、192.168.4.0/24，可以聚合为192.168.0.0/22（因为前 22 位都是192.168.00）。

类比：原本每个街道都要一条路由记录（比如 “送 XX 街道的快递走 XX 路”），现在聚合后变成 “送 XX 区的快递走 XX 高速”，路由表就简洁多了。

三、CIDR 的子网划分（VLSM，可变长子网掩码）

CIDR 还能把一个大网络 “拆分” 成多个小网络（按需分配，避免浪费）。

• 比如192.168.0.0/24（254 个可用 IP），如果公司有两个部门，每个部门需要 100 个 IP，可以拆成192.168.0.0/25（126 个 IP）和192.168.0.128/25（126 个 IP）。

类比：一个大仓库（大网络），拆成两个小仓库（小网络），分别给两个部门用，避免空间浪费。

四、举个生活中的完整例子：小区宽带分配

假设运营商有个大 IP 段10.0.0.0/8，要给 “幸福小区” 分配 IP：

• 小区有 10 栋楼，每栋楼需要约 200 个 IP，就可以用 CIDR 拆分成10.0.0.0/23（510 个 IP，给 1-2 栋）、10.0.2.0/23（510 个 IP，给 3-4 栋）…… 以此类推，既满足了每栋楼的 IP 需求，又通过聚合减少了运营商路由表的复杂度。

总结一下，CIDR 就像给 IP 地址管理装上了 “灵活分割 / 合并” 的工具，既解决了传统分类的浪费问题，又让网络路由更高效 —— 就像城市交通的 “动态车道规划”，窄路细分、宽路聚合，让数据传输的 “交通效率” 大大提升

特殊的IP地址

• 将IP地址中的主机地址全部设为0,就成为了⽹络号,代表这个局域⽹;
• 将IP地址中的主机地址全部设为1,就成为了⼴播地址,⽤于给同⼀个链路中相互连接的所有主机发送数据包;
• 127.*的IP地址⽤于本机环回(loopback)测试,通常是127.0.0.1

loopback

一、什么是 loopback？

简单来说，loopback 是让网络数据 “发出去又自己绕回来” 的机制，就像你对着镜子说话，声音从嘴里发出，又被镜子反射回耳朵里。

在网络里，它对应的是 **“回环接口”（比如 IPv4 的127.0.0.1，IPv6 的::1）**，这个接口是设备（电脑、服务器等）“自己和自己通信” 的专属通道。

二、类比理解：自己给自己寄快递

想象你是一个 “小邮局”（主机），你给自己写了一封信（网络数据），地址写的是 “本邮局内部回环地址”（loopback 地址）。这封信不需要出邮局，直接在内部流转一圈就回到你手里 —— 这就是 loopback 的逻辑。

三、loopback 的作用（为什么需要它？）

1. 测试网络协议栈：比如你在电脑上装了新的网卡驱动或网络软件，想测试 “数据能不能在本机正常收发”，就可以给127.0.0.1发数据。如果能收到，说明本机的网络协议栈（从应用层到物理层）是好的。类比：你测试自己的 “说话 - 听声” 功能，对着镜子说句话，能听到就说明嗓子和耳朵没问题。

2. 本地服务调试：很多本地运行的服务（比如你在电脑上搭的网站、数据库），会把自己 “绑定” 到 loopback 地址上。这样只有你自己的电脑能访问这些服务，既安全又方便调试。类比：你在家搭了个 “私人小商店”（本地服务），只对 “自己家”（本机）开放，外人进不来，你可以先在内部测试商店的功能。

3. 区分 “本机网络故障” 和 “外部网络故障”：比如你上不了网，先 ping127.0.0.1：

   • 如果能 ping 通，说明本机网络协议没问题，故障可能在外部（比如路由器、宽带）；
   • 如果 ping 不通，说明本机网络栈本身有问题（比如驱动没装对）。类比：你打电话打不出去，先给自己手机打个电话（loopback），能打通说明手机本身没问题，打不通就是手机坏了。

四、常见的 loopback 地址

• IPv4：最常用的是127.0.0.1，整个127.0.0.0/8网段都是回环地址（比如127.1.2.3也能实现回环）。
• IPv6：::1是回环地址。

举个实际例子：调试本地网站

你在电脑上用 Node.js 或 Python 搭了一个本地网站，配置时把服务器地址设为127.0.0.1，端口设为8080。然后在浏览器里输入http://127.0.0.1:8080，就能访问到这个本地网站 —— 这就是 loopback 在发挥作用，数据从浏览器发出去，绕了一圈又回到本机的服务器，你就能看到网页了。

总之，loopback 就像网络世界里的 “镜子” 或 “内部通信通道”，让设备能自己和自己对话，用来做测试、调试非常方便。

私有IP地址和公⽹IP地址

如果⼀个组织内部组建局域⽹,IP地址只⽤于局域⽹内的通信,⽽不直接连到Internet上,理论上使⽤任意的IP地址都可以,但是RFC1918规定了⽤于组建局域⽹的私有IP地址

• 10.*,前8位是⽹络号,共16,777,216个地址
• 172.16.到172.31.,前12位是⽹络号,共1,048,576个地址
• 192.168.*,前16位是⽹络号,共65,536个地址包含在这个范围中的,都成为私有IP,其余的则称为全局IP(或公⽹IP);

路由选择

一、核心概念：什么是路由选择

路由选择发生在网络层，由路由器设备执行。其本质是路由器通过路由表，为收到的每个 IP 数据包决策下一跳（Next Hop）的过程，最终让数据包通过多段链路接力到达目标网络。

• 路由表：路由器的 “地图”，记录了到达不同目标网络的路径信息，主要包含目标网络地址、子网掩码、下一跳地址、出接口和度量值（Metric）。
• 度量值：判断路径 “优劣” 的标准，常见指标包括跳数（经过的路由器数量）、带宽、延迟、可靠性等。

二、关键分类：静态路由 vs 动态路由

根据路径信息的更新方式，路由选择分为静态和动态两种，二者适用场景差异显著。

对比维度	静态路由（Static Routing）	动态路由（Dynamic Routing）
配置方式	管理员手动在路由器上逐条配置	路由器通过路由协议自动学习
更新机制	需手动修改，无自动更新	网络拓扑变化时，协议自动同步新路径
适用场景	小型、拓扑固定的网络（如家庭、小型企业）	大型、拓扑复杂的网络（如运营商、校园网）
优点	配置简单、不占用网络带宽、路径可控	无需手动维护、适应拓扑变化能力强
缺点	拓扑变化时易失效、大型网络配置工作量极大	占用部分带宽传输协议报文、配置相对复杂

三、动态路由的核心：路由协议

动态路由依赖路由协议实现路径信息的交换与计算，主流协议可分为内部网关协议（IGP）和外部网关协议（EGP），分别用于自治系统（AS，一个独立管理的网络区域）内部和外部的路由通信。

1. 内部网关协议（IGP）：自治系统内通信

用于同一 AS 内部，计算 “内部最优路径”，常见协议有两种：

• RIP（路由信息协议）：基于跳数作为唯一度量值，最大支持 15 跳（16 跳视为不可达），适用于小型网络，收敛速度较慢。
• OSPF（开放式最短路径优先）：基于链路状态（如带宽、延迟）计算路径，使用 Dijkstra 算法生成 “最短路径树”，收敛快、支持大型网络，是目前企业和校园网的主流选择。

2. 外部网关协议（EGP）：自治系统间通信

用于不同 AS 之间（如联通和电信的网络互联），核心协议是BGP（边界网关协议）。

• 不追求 “最短路径”，而是基于 “策略” 选择路径（如优先选择带宽更高的链路、避免经过不稳定的 AS）。
• 是互联网骨干网实现跨运营商通信的关键协议。

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四、路由选择的核心流程

以一个简单场景（源主机 A→目标主机 B，需经过 2 个路由器）为例，流程可分为 3 步：

1. 数据包到达路由器：主机 A 将数据包发送到网关路由器 R1，数据包头部携带目标主机 B 的 IP 地址。
2. 路由器查询路由表：R1 提取目标 IP，与路由表中的 “目标网络地址 + 子网掩码” 匹配，找到对应的下一跳（如路由器 R2）和出接口。
3. 数据包转发至下一跳：R1 将数据包从出接口发送到 R2，R2 重复 “查询路由表→转发” 的过程，最终将数据包送达主机 B 所在的网络。

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五、常见问题：路由环路与解决方法

路由选择中易出现 “路由环路”（数据包在多个路由器间无限循环，无法到达目标），主要通过以下机制避免：

• 水平分割：路由器不向 “学习到该路由的接口” 反发该路由信息，防止信息回传。
• 毒性反转：当某条路由失效时，路由器将其度量值设为 “无穷大”（如 RIP 中设为 16 跳），并告知其他路由器，快速标记该路由不可用。
• 触发更新：网络拓扑变化时，路由器立即发送更新报文，而非等待固定周期，加速路由收敛。