📚 课程目录第3章网络层核心

3. 网络层核心

网络层是TCP/IP协议栈中承上启下的关键一层，它负责把数据包从源主机跨越多个网络送到目的主机。这一层的核心协议就是IP（Internet Protocol）。理解IP协议，需要同时掌握三件事：IPv4报文长什么样、IP地址如何组织与划分、路由器如何根据路由表把包转发出去。本章围绕这三条主线展开，并给出可动手复现的子网规划方法。

一、IPv4报文格式

IPv4数据报由首部和数据两部分组成，首部固定长度为20字节，若带选项则最长可达60字节。首部各字段决定了路由器如何处理这个包：

版本（4位）：值为4，表示IPv4。
首部长度（4位）：以4字节为单位，最小值为5（即20字节）。
区分服务（8位）：用于QoS标记，如DSCP。
总长度（16位）：首部加数据的总字节数，最大65535字节。
标识、标志、片偏移：三者配合完成分片与重组。标志位中DF=1表示禁止分片，MF=1表示后面还有分片。
生存时间TTL（8位）：每经过一台路由器减1，减到0则丢弃并回送ICMP超时，用于防止环路。
协议（8位）：标识上层协议，1=ICMP，6=TCP，17=UDP。
首部校验和（16位）：只校验首部，每跳都要重算。
源IP地址、目的IP地址（各32位）：转发决策的核心依据。

需要特别记住：路由器转发时只关心目的IP地址，源IP地址在转发过程中不变（除非经过NAT）。TTL和首部校验和是每跳都会变化的字段。

二、IP地址分类与子网划分

IPv4地址长32位，通常写成点分十进制。传统分类把地址分为A、B、C、D、E五类：A类首位为0，网络号8位；B类前两位10，网络号16位；C类前三位110，网络号24位；D类用于组播；E类保留。分类编址的问题是地址利用率低，例如一个B类网络可容纳6万多台主机，很多组织根本用不完。

子网划分的思路是：从主机位借若干位作为子网位，把一个大网络切成多个小网络。判断两台主机是否在同一子网，靠的是子网掩码。掩码中为1的位对应网络位，为0的位对应主机位。例如掩码255.255.255.192（即/26），表示前26位是网络位，后6位是主机位，每个子网可用主机数为2^6−2=62台（去掉全0的网络地址和全1的广播地址）。

三、CIDR与VLSM

CIDR（无类别域间路由）取消了A/B/C类的固定边界，用“IP/前缀长度”表示网络，例如192.168.1.0/24。CIDR支持路由聚合，把多条连续路由合并成一条，减小路由表规模。例如172.16.0.0/24到172.16.3.0/24可以聚合为172.16.0.0/22。

VLSM（可变长子网掩码）允许在同一主网内对不同子网使用不同长度的掩码。实际规划中，先满足主机数最多的网段，再逐级细分。例如把10.0.0.0/24分给三个部门：研发需要100台、销售需要50台、财务需要20台。可以这样切：研发用10.0.0.0/25（126台可用），销售用10.0.0.128/26（62台可用），财务用10.0.0.192/27（30台可用），剩余10.0.0.224/27留作扩展。

四、路由表查找过程

路由器收到包后，取出目的IP地址，在路由表中查找匹配项。查找遵循“最长前缀匹配”原则：在所有能匹配目的地址的路由条目中，选择前缀最长（掩码最具体）的那一条。若没有匹配项，则使用默认路由0.0.0.0/0；若连默认路由都没有，则丢弃并回送ICMP不可达。

路由表通常包含目的网络、掩码、下一跳、出接口、度量值等字段。直连路由优先级最高，静态路由次之，动态路由协议（如OSPF、BGP）根据管理距离和度量值决定。下面这张图展示了从收到数据包到决定转发路径的完整判断链：

五、使用ipcalc进行子网规划实战

手工计算子网容易出错，Linux下的ipcalc工具可以快速给出网络地址、广播地址、可用主机范围等信息。下面以一个实际规划任务为例：某公司拿到10.10.0.0/22，需要划分给四个部门，分别需要200、100、50、25台主机。

先看整体信息：

$ ipcalc 10.10.0.0/22
Address:   10.10.0.0           00001010.00001010.000000 00.00000000
Netmask:   255.255.252.0 = 22  11111111.11111111.111111 00.00000000
Wildcard:  0.0.3.255           00000000.00000000.000000 11.11111111
Network:   10.10.0.0/22
HostMin:   10.10.0.1
HostMax:   10.10.3.254
Broadcast: 10.10.3.255
Hosts/Net: 1022

按VLSM从大到小分配：200台主机需要/24（254可用），100台需要/25（126可用），50台需要/26（62可用），25台需要/27（30可用）。依次切分：

$ ipcalc 10.10.0.0/24
Network:   10.10.0.0/24
HostMin:   10.10.0.1
HostMax:   10.10.0.254
Broadcast: 10.10.0.255
Hosts/Net: 254

$ ipcalc 10.10.1.0/25
Network:   10.10.1.0/25
HostMin:   10.10.1.1
HostMax:   10.10.1.126
Broadcast: 10.10.1.127
Hosts/Net: 126

$ ipcalc 10.10.1.128/26
Network:   10.10.1.128/26
HostMin:   10.10.1.129
HostMax:   10.10.1.190
Broadcast: 10.10.1.191
Hosts/Net: 62

$ ipcalc 10.10.1.192/27
Network:   10.10.1.192/27
HostMin:   10.10.1.193
HostMax:   10.10.1.222
Broadcast: 10.10.1.223
Hosts/Net: 30

剩余10.10.1.224/27到10.10.3.255留作扩展。规划完成后，把每个子网的网络地址、掩码、网关（通常取第一个可用地址）填入下表，即可交给配置人员使用：

部门	需求主机数	子网	掩码	可用范围	网关
研发部	200	10.10.0.0/24	255.255.255.0	10.10.0.1–10.10.0.254	10.10.0.1
销售部	100	10.10.1.0/25	255.255.255.128	10.10.1.1–10.10.1.126	10.10.1.1
财务部	50	10.10.1.128/26	255.255.255.192	10.10.1.129–10.10.1.190	10.10.1.129
行政部	25	10.10.1.192/27	255.255.255.224	10.10.1.193–10.10.1.222	10.10.1.193
预留	—	10.10.1.224/27	255.255.255.224	10.10.1.225–10.10.1.254	—

使用ipcalc -n -b -h 10.10.1.128/26可以只输出网络地址、广播地址和主机范围，适合脚本批量处理。规划时始终从最大需求开始切分，避免地址碎片化。

注意：子网划分后，每个子网的网络地址（主机位全0）和广播地址（主机位全1）不能分配给主机。计算可用主机数时务必减去2。若使用/31掩码用于点对点链路，则两个地址都可用，这是RFC 3021的特例。

掌握IPv4报文格式、地址分类与子网划分、CIDR/VLSM以及路由表查找逻辑，是理解网络层转发行为的基础。实际工程中，先明确主机需求，再用ipcalc验证每个子网的边界，最后把结果落到路由器和主机的配置中，才能保证地址规划既够用又不浪费。