TCP/IP 网络层

地址分类

IP地址用于唯一标识互联网上的每一台主机，它由32位二进制数构成，通常表示为点分十进制格式（如 192.168.1.1）。传统的IP地址分为A、B、C、D、E五类，主要依据地址的前几位进行划分：

A类地址 ：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255，首位固定为 0，网络号占8位，主机号占24位。常用于大型网络。
B类地址 ：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255，前两位固定为 10，网络号占16位，主机号占16位。适用于中等规模网络。
C类地址 ：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255，前三位固定为 110，网络号占24位，主机号占8位。适用于小型网络。
D类地址 ：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255，前四位固定为 1110，用于多播（组播）通信。
E类地址 ：240.0.0.0 ~ 255.255.255.255，前四位固定为 1111，保留用于实验和未来使用。

此外，还有一些特殊地址，如网络地址（主机号全0）、广播地址（主机号全1）以及回环地址（127.0.0.1）等。随着Internet的快速发展，单纯的分类方式逐渐无法满足实际需求，于是出现了CIDR（无类别域间路由）。

CIDR表示法

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）消除了传统的A、B、C类地址划分，允许使用任意长度的子网掩码，从而提高IP地址的利用率。CIDR表示法格式为 A.B.C.D/n，其中 n 表示网络前缀的位数（即子网掩码中连续1的位数）。例如 192.168.1.0/24，表示前24位是网络前缀，剩余8位是主机号。

相关计算：可用地址数

对于 A.B.C.D/n 的CIDR地址块，可用主机地址数为：

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可用地址数 = 2^(32-n) - 2

减去的两个地址分别代表网络地址和广播地址。例如 /24 网段有 2^8 - 2 = 254 个可用主机地址；/28 网段则有 2^4 - 2 = 14 个可用地址。

下面以 192.168.1.0、10.0.0.0 和 172.16.0.0 为例，展示 /24、/28 和 /30 三种常见掩码的网络地址、广播地址、可用地址范围及可用主机数：

CIDR表示法	网络地址	广播地址	可用地址范围	可用主机数
`192.168.1.0/24`	`192.168.1.0`	`192.168.1.255`	`192.168.1.1` ~ `192.168.1.254`	254
`10.0.0.0/28`	`10.0.0.0`	`10.0.0.15`	`10.0.0.1` ~ `10.0.0.14`	14
`172.16.0.0/30`	`172.16.0.0`	`172.16.0.3`	`172.16.0.1` ~ `172.16.0.2`	2

说明：对于 /24 掩码，主机位为 8 位，可用地址数为 2⁸ - 2 = 254；/28 掩码主机位为 4 位，可用地址数为 2⁴ - 2 = 14；/30 掩码主机位仅 2 位，可用地址数为 2² - 2 = 2，常用于点对点链路。网络地址和广播地址不可分配给主机使用，因此部分通信场景需扣除这两个地址。

CIDR还支持路由聚合（超网），即将多个连续的地址块合并为一个更大的地址块，从而减少路由表条目。

IP数据报结构

IP数据报是网络层传输的基本单元，它由首部和数据两部分组成。首部包含一系列控制信息，其标准长度为20字节（不含选项字段），关键字段如下：

版本：4位，标明IP协议版本（IPv4为4）。
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服务质量控制。
总长度：16位，表示整个IP数据报的长度（首部+数据），最大65535字节。
标识、标志、片偏移：用于数据报的分片与重组。
生存时间（TTL）：8位，每经过一个路由器减1，减到0时数据报被丢弃，防止数据报在网络中无限循环。
协议：8位，指明上层协议（如TCP=6，UDP=17）。
首部校验和：16位，仅对首部进行校验，保证首部的完整性。
源IP地址、目的IP地址：各32位，标识数据报的发送方和接收方。

数据部分封装来自传输层的段（TCP段或UDP数据报）。IP数据报在传输过程中会逐跳路由，根据路由表进行转发。

ARP协议

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）用于将目的IP地址解析为对应的物理MAC地址，实现从网络层到数据链路层的映射。主机在发送数据前，如果只知道目标IP而不知道其MAC地址，就会在本地网络广播一个ARP请求报文，询问"谁拥有这个IP地址？"。目标主机收到后，单播回应自己的MAC地址。主机收到响应后，会将IP-MAC映射关系存入ARP缓存表，以便后续直接使用。

为了避免缓存过期，ARP条目通常设有生存时间。此外，还有反向ARP（RARP）和代理ARP等变种，用于动态获取IP地址或跨网段解析。

路由聚合

路由聚合（Route Aggregation）是将一组连续的CIDR地址块合并为一条更短前缀的路由，从而缩减路由表大小，提高路由效率。例如，将 192.168.1.0/24 和 192.168.2.0/24 聚合为 192.168.0.0/22，因为这两个网段的前22位相同。聚合后，路由器只需存储这一条路由，而不必为每个子网单独设置条目。

但聚合需要保证被聚合的网络是连续的，且对外通告时不会导致路由黑洞。CIDR对路由聚合提供了天然支持。

路由选择协议

路由选择协议负责在不同路由器之间交换路由信息，帮助路由器建立和维护路由表。根据作用范围可分为两大类：

内部网关协议

内部网关协议（IGP，Interior Gateway Protocol）用于自治系统（AS）内部的路由选择。常见的IGP有：

RIP（Routing Information Protocol）：基于距离向量算法，以跳数作为度量，最大跳数15，适用于小型网络。使用UDP 520端口交换路由表。
OSPF（Open Shortest Path First）：基于链路状态算法，具有收敛速度快、支持区域划分、无环路等优势，适用于大型网络。使用IP协议号89直接封装在IP数据报中。
EIGRP（思科私有）：混合型协议，结合了距离向量和链路状态的优点。

外部网关协议

外部网关协议（EGP，Exterior Gateway Protocol）用于不同自治系统之间的路由选择，最典型的是BGP（Border Gateway Protocol，边界网关协议）。BGP采用路径向量算法，基于AS路径、策略等进行路由决策，是全球互联网的核心路由协议。BGP使用TCP 179端口建立连接，支持CIDR和路由聚合。

BGP不仅能确保全球范围内的路由可达性，还能通过属性（如AS-Path、Local Preference）实现丰富的路由策略。

ICMP协议

ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议）用于在IP网络中传递差错和控制信息，是IP协议的辅助协议。常见应用包括：

差错报告：如"目标不可达"（Type 3）、"超时"（Type 11，用于Traceroute追踪路由）等。
查询/诊断 ：ping 命令使用ICMP Echo Request/Reply（Type 0/8）来测试主机可达性。
重定向：当路由器发现更优路径时，可发送ICMP重定向报文指示主机更改下一跳。

ICMP报文封装在IP数据报中，协议号为1。尽管ICMP一般用于诊断，但也能被利用进行攻击（如ICMP泛洪），因此其处理需谨慎。

NAT技术

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）允许专用网络中的多台主机共用一个或几个公网IP地址访问互联网，从而节省公网IPv4地址资源，同时隐藏内部网络结构，提高安全性。

常见的NAT类型包括：

静态NAT：一对一的IP地址映射，固定不变。
动态NAT：从地址池中动态分配公网IP给内部主机。
NAPT（网络地址端口转换）：最常用模式，使用"IP+端口"映射实现多对一共享公网IP（也叫PAT，端口地址转换）。内部主机与外部通信时，NAT设备会修改数据报的源IP和源端口，并维护一个转换表，以便返回数据能正确转发回内网主机。

NAT也带来了一些兼容性问题，比如某些协议在内部地址被修改后无法正常工作，需要借助ALG（应用层网关）等技术解决。