IP 地址、子网划分与网络互联

本节导读

这一节对应大纲的「Internet 的体系结构和各层协议」中的网络层，以及「网络互联技术」。网络层是 Internet 的核心：IP 协议把各种物理网络互联成一个虚拟的大网，路由器按 IP 地址逐跳转发分组。

这一节要会的计算很多：给一个 IP 地址和掩码求网络地址、广播地址、可用主机数；把一个网络划分成若干子网；把几个网络聚合成一条路由；按最长前缀匹配查路由表；IP 分片的片偏移；距离向量路由表的更新。学完你应该能熟练做二进制与点分十进制的换算，并把这些计算一步一步写清楚。

IP 数据报与分片

IP 提供无连接、尽最大努力交付的服务。IP 首部固定部分 20 字节，主要字段有版本、首部长度、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间（TTL）、协议、首部检验和、源地址和目的地址。TTL 每经过一个路由器减 1，减到 0 就丢弃，防止分组在网络里无限兜圈子。

数据报长度超过下一段链路的最大传送单元（MTU）时要分片：每片都带一个 IP 首部，数据部分的长度必须是 8 字节的整数倍（最后一片除外）；片偏移以 8 字节为单位，表示这一片数据在原数据中的位置；除最后一片外，标志位 MF 都置 1。

分类 IP 地址与子网划分

IPv4 地址 32 位，写成点分十进制。早期按网络号的长度分类：

类别	前缀位	第一个字节的范围	默认掩码
A 类	0	1～126	255.0.0.0（/8）
B 类	10	128～191	255.255.0.0（/16）
C 类	110	192～223	255.255.255.0（/24）
D 类	1110	224～239	多播地址
E 类	1111	240～255	保留

主机号全 0 表示网络本身，全 1 表示本网广播，都不能分给主机；127 开头的地址用于本机环回测试。专用地址（只在内部网络使用）有 10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16。

子网掩码中为 1 的位对应网络号（含子网号）。IP 地址与掩码按位与，得到网络地址；把主机号各位全置 1 得到广播地址；主机号有 h 位时，可分配的地址有 $2^h - 2$2h−2 个。例如把 192.168.10.0/24 平分成 4 个子网，借 2 位做子网号，得到 /26 的 192.168.10.0、192.168.10.64、192.168.10.128、192.168.10.192，每个子网可分配 62 个地址。

CIDR 与路由聚合

无分类域间路由（CIDR）取消了 A、B、C 类的划分，地址写成「地址/前缀长度」。几个连续的网络如果有相同的前缀，可以合并成一条路由，叫路由聚合（构成超网）：求出它们的最长公共前缀即可。例如 172.16.8.0/24、172.16.9.0/24、172.16.10.0/24、172.16.11.0/24 的第三个字节 8 到 11 写成二进制是 000010xx，公共前缀是 16 + 6 = 22 位，聚合为 172.16.8.0/22。

路由器转发时，把目的地址与路由表中每一项的前缀比较，在所有匹配的项中选前缀最长的一项，叫最长前缀匹配；默认路由 0.0.0.0/0 能匹配一切地址，但前缀最短，只在没有别的匹配时使用。

ARP、ICMP 与 IPv6

ARP 在同一个局域网内把 IP 地址解析成 MAC 地址：广播发送请求，目标主机单播回答，结果存进 ARP 高速缓存。ICMP 让主机和路由器报告差错和异常：差错报告报文有终点不可达、时间超过（TTL 减到 0）、参数问题、改变路由（重定向）等；询问报文有回送请求和回答（ping 就用它）、时间戳请求和回答。traceroute 利用 TTL 依次为 1、2、3……的探测分组引出「时间超过」报文，从而查出沿途的路由器。

IPv6 地址 128 位，写成 8 组冒号分隔的十六进制数；每组的前导 0 可以省略，连续若干组全 0 可以用「::」代替，但一个地址里只能用一次。IPv6 的基本首部固定 40 字节，取消了首部检验和，路由器不再分片（只由源主机分片）。从 IPv4 过渡到 IPv6 的方法有双协议栈和隧道技术。

路由算法与路由协议

Internet 把网络划分为许多自治系统（AS）。自治系统内部用内部网关协议（RIP、OSPF），自治系统之间用外部网关协议（BGP）。