网段划分和 IP 地址

1. IP 协议

IP 协议是网络层协议，主要负责在不同网络设备之间，进行数据包的地址分配和路由选择。

• 地址分配：为每个连接到公网的设备分配一个唯一的 IP 地址，确保数据能被准确地发送到目标设备。

• 数据分片和组装：当发送的数据包大小大于 mtu 时，本地 IP 协议会将其分成几个片段，并在目的地的网络层再重新组装。

  整个数据包的重组依赖于所有分片的成功传输。如果其中一个分片丢失，整个数据包将无法重组，导致数据传输失败。

• 路由选择：根据目标 IP 地址，确定数据包通过何种路径，从本地设备传输到目标设备。

• 无连接：IP 协议是无连接的，每个数据包独立传输，不保证顺序性和可靠性。

IP 协议提供了将数据跨网络、从本地设备传输到目标设备的能力。

TCP 协议能确保，数据传输的顺序性和可靠性。

因此，TCP/IP 能将数据可靠地从 本地设备 传输到 目标设备。

2. IP 地址基础

IP 地址分为两个部分， 网络号 和 主机号 。

• 网络号：用于标识一个网络，保证相互连接的两个网段，具有不同的网络号。
• 主机号：用于标识网络中的某一具体设备。同一网段内，主机之间具有相同的网络号，和不同的主机号。

• 子网：把相同网络号的主机放在一起。

​ 如果在子网内新增一台主机，这台主机的网络号与子网的网络号保持一致，但主机号不能与子网中其他主机的主机号重复。

• DHCP：能够自动地给子网内新增主机节点分配 IP 地址。路由器通常都具有 DHCP 功能。

3. 网络分段

网段划分是将一个大的 IP 网络划分为多个较小的子网络的过程。这种方式可以有效分配 IP 地址，避免地址浪费，特别是在 IPv4 地址资源有限的情况下。

3.1 CIDR

CIDR 通过使用斜线表示法（CIDR 记法）和子网掩码长度，灵活划分 IP 地址空间，而不遵循固定的地址分类规则。

• 子网掩码（subnet mask）：区分网络号和主机号。
• 子网掩码是一个 32 位的正整数，通常用一串 “0” 结尾。
• 将 IP 地址与子网掩码进行按位与 & 操作，得到网络号。

举例：192.168.1.2/24 的网络地址是 192.168.1.0 ，子网掩码长度为 24 位（高 24 位为 1，即子网掩码为 255.255.255.0）。

1100 0000. 1010 1000. 0000 0001. 0000 0010

1111 1111. 1111 1111. 1111 1111. 0000 0000

------------------------------------------ &

1100 0000. 1010 1000. 0000 0001. 0000 0000

对应的网络号为 192. 168. 1. 0

可用地址范围：192. 168. 1. 0 ~ 192. 168. 1. 255

3.2 特殊 IP 地址

将 IP 地址中的主机地址设为全 0，就是 网络号 ，代表这个局域网。

将 IP 地址中的主机地址设为全 1，就是 广播地址 ，用于给同一个链路中的、相互连接的所有主机发送数据包。

127.* 的地址用于本地环回测试，常见为 127.0.0.1 。

4. 公网 IP 和 私网 IP

4.1 公网 IP

公网 IP 是指全球唯一的、可以在互联网上访问的 IP 地址。每一个连接到互联网的设备，都需要一个公网 IP 地址，以便其它设备可以与之通信。

4.2 私网 IP

私网 IP 是指在局域网内使用的、不直接连到互联网上的 IP 地址。

私网 IP 可以在不同的局域网内重复使用，不需要全球唯一性。

私网 IP 的范围：

• 10.* /8 ：前 8 位是网络号。
• 172.16.* /12 ~ 172.31.* /12 ：前 12 位是网络号。
• 192.168.* /16 ：前 16 位是网络号。

包含在这个范围内的 IP 都称为私网 IP，其余都为公网 IP 。

5. NAT 技术

一个路由器可以配置两个 IP 地址：WAN 口 IP 和 LAN 口 IP 。

路由器 LAN 口连接的主机，都属于当前路由器的子网主机。

同一子网内， IP 不能重复；不同字网间，可以有相同的 IP 。

家用路由器 通常是 运营商路由器 子网中的某一节点；最外层运营商路由器的 WAN 口 IP ，为公网 IP。

NAT ：子网内的主机和公网设备进行通信时，路由器会将数据包中的 源 IP 地址 ，替换为路由器的 WAN 口 IP 地址 ；逐级替换，最终数据包中的 源 IP 地址 为一个 公网 IP 。

6. 路由

路由表是存储在路由器中的数据库，记录了到达不同网络目标的路径信息。

每当路由器接收到数据包时，会查阅路由表，以决定将数据包转发到哪个接口。

在 Linux 中，可以使用 route 指令查看路由表。

• Destination ：目标网络地址
• Gateway ：子网掩码
• Genmask ：下一跳地址

如果目的 IP 命中了路由表，则直接转发。

当 目的地址 与 路由表中其它行 都不匹配时，按 缺省路由条目规定的接口 发送到 下一跳地址。

举例：

目的 IP 为 10.1.2.3 。

• 10.1.2.3 & 255.255.255.0 != 192.168.1.0
• 10.1.2.3 & 255.0.0.0 == 10.0.0.0 匹配

​ 下一跳为 192.168.1.2 ，通过 Ethernet0 接口转发。