3. 网络层核心：IP地址、子网掩码、网关与ARP协议
设备要上网，得先有个“门牌号”。这个门牌号就是IP地址。但光有门牌号还不够，你还得知道哪些邻居在同一个小区（子网），哪个门是通往外面世界的（网关），以及怎么找到邻居家的门牌号（ARP）。
这一节，我把这几个概念串起来讲。你理解透了，网络层的骨架就算搭起来了。
3.1 IP地址：设备的“门牌号”
IP地址分两代：IPv4和IPv6。IPv4是32位的，写成4个十进制数，比如 192.168.1.1。IPv6是128位的，写成8组十六进制数，比如 2001:db8::1。
IPv4地址数量有限，全球早就分完了。IPv6就是为了解决地址枯竭问题。我个人习惯，新项目能上IPv6就上，省得以后迁移麻烦。
| 特性 | IPv4 | IPv6 |
|---|---|---|
| 地址长度 | 32位 | 128位 |
| 表示方式 | 点分十进制 | 冒号十六进制 |
| 地址数量 | 约43亿 | 约3.4×10³⁸ |
| 配置方式 | DHCP或手动 | SLAAC或DHCPv6 |
:: 省略连续的0。比如 2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001 可以简写为 2001:db8::1。
3.2 子网掩码：划清“小区”边界
子网掩码的作用，就是告诉设备：哪些IP地址跟你在同一个局域网里。它也是32位的，写成 255.255.255.0 这种形式。
怎么用？把IP地址和子网掩码做“与”运算，得到网络地址。网络地址相同的设备，就在同一个子网里，可以直接通信。
举个例子：
IP地址： 192.168.1.10
子网掩码： 255.255.255.0
网络地址： 192.168.1.0
如果另一台设备的IP是 192.168.1.20，网络地址也是 192.168.1.0，它们就在同一个子网里。
255.255.255.252，只允许两个IP，其他地址全被当成外网了。
3.3 网关：通往外部世界的“大门”
网关就是连接本地网络和外部网络的设备，通常是一台路由器。设备要访问互联网，必须把数据包发给网关，由网关转发出去。
网关的IP地址，通常是子网中的第一个或最后一个可用地址。比如子网 192.168.1.0/24，网关往往是 192.168.1.1 或 192.168.1.254。
设备判断要不要走网关的逻辑很简单：
- 目标IP跟自己在同一个子网 → 直接发ARP请求找目标MAC
- 目标IP不在同一个子网 → 发给网关，让网关转发
3.4 ARP协议：IP地址到MAC地址的“翻译官”
设备在局域网内通信，最终靠的是MAC地址。但应用层只知道IP地址，不知道MAC地址。这时候就需要ARP协议来帮忙。
ARP的工作流程是这样的：
- 设备A想跟设备B通信，但不知道B的MAC地址
- 设备A在局域网内广播一个ARP请求：“谁的IP是192.168.1.20？请告诉我你的MAC地址”
- 设备B收到请求，发现问的是自己，就回复一个ARP应答：“我是192.168.1.20，我的MAC地址是00:1a:2b:3c:4d:5e”
- 设备A收到应答，把IP和MAC的对应关系缓存起来，下次直接用
ARP缓存会老化，一般几分钟到几十分钟不等。老化后，下次通信又要重新请求。
3.5 知识体系总览
下面这张图，把IP地址、子网掩码、网关和ARP协议的关系串起来了。你一看就明白。
3.6 实战：配置一个静态IP
说了这么多，咱们动手配一个。假设你要给一台Linux设备配置静态IP，参数如下：
- IP地址：192.168.1.100
- 子网掩码：255.255.255.0
- 网关：192.168.1.1
- DNS：8.8.8.8
用 nmcli 命令配置：
nmcli con mod eth0 \
ipv4.addresses 192.168.1.100/24 \
ipv4.gateway 192.168.1.1 \
ipv4.dns 8.8.8.8 \
ipv4.method manual
nmcli con up eth0
配置完成后，用 ip addr 查看IP地址，用 ip route 查看路由表，用 arp -n 查看ARP缓存。
arping 命令测试网关的MAC地址是否能解析到。
嗯，这一节的内容就到这里。IP地址、子网掩码、网关、ARP协议，这四个概念是网络层的基石。你理解了它们，后面学路由协议、VLAN、NAT都会轻松很多。