1. IPv4 地址格式#

IPv4 地址由 32位无符号整数表示，为了好记，我们把它切成 4 组 8 位，用十进制加点分开，即点分十进制记法：

1
  192     .  168    .  1      .  100
2
11000000  10101000  00000001  01100100

理论上，32 位地址空间可标识约 43 亿台设备($2^{32} \approx 4.3 \times 10^9$)，当初看来完全够用。

2. IP地址的分类：一个过时的“分类”#

IPv4 地址按首部若干位进行分类，分为 A、B、C、D、E 五类：

1
首部标识位 → 决定类别
2
0xxxxxxx  A类：0.0.0.0   ~ 127.255.255.255
3
10xxxxxx  B类：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
4
110xxxxx  C类：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
5
1110xxxx  D类：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255  (组播)
6
1111xxxx  E类：240.0.0.0 ~ 255.255.255.255  (预留)

3. CIDR 与 子网掩码：告别死板的类划分#

1
10.100.122.2/24
2
└──────────┘└┘
3
  IP 地址   前 24 位为网络号，后 8 位为主机号

1
/24 对应子网掩码：255.255.255.0
2
11111111.11111111.11111111.00000000

4. 子网划分#

子网划分是从主机号中”借用”若干位作为子网号，将一个大网络切分为多个小网络。

1
IP 地址：   192.168.1.100  = 11000000.10101000.00000001.01100100
2
子网掩码：  255.255.255.0  = 11111111.11111111.11111111.00000000
3
                          AND
4
网络号：    192.168.1.0    = 11000000.10101000.00000001.00000000

1
原始结构：[ 网络号 24位 ][ 主机号 8位 ]
2
划分后：  [ 网络号 24位 ][ 子网号 2位 ][ 主机号 6位 ]

5. 公有 IP 与私有 IP#

全球 IP 地址由 IANA(互联网编号分配局)统一管理，分为公有地址和私有地址：

路由表与转发表#

理解数据平面和控制平面的关系，关键在于区分两个核心数据结构： 路由表 (RIB, Routing Information Base)

• 归属控制平面，存储在路由处理器(CPU)的内存中
• 包含所有已知路由（直连、静态、动态协议学习到的），以及每条路由的度量值、管理距离等属性
• 由路由协议（OSPF、BGP 等）负责写入和维护
• 作用是路由决策：从多条可选路径中选出最优路由

转发表 (FIB, Forwarding Information Base)

• 归属数据平面，存储在接口线卡(Line Card)的专用硬件（TCAM/SRAM）中
• 只包含从 RIB 中选出的当前生效的最优路由，剥离了协议属性，仅保留目的前缀、下一跳、出接口等转发必需信息
• 由控制平面将最优路由下发生成
• 作用是高速转发查找：数据包到达时，硬件直接查询 FIB 执行最长前缀匹配

二者的关系： 控制平面在 RIB 中计算选路，将选出的最优路由安装到 FIB；数据平面只读 FIB，不关心 RIB 的内容。

数据平面（转发平面）#

数据平面又称转发平面(Forwarding Plane)，负责每个数据包的实际转发动作，核心问题是”收到包之后往哪发”。 特点：

• 本地决策：基于转发表(Forwarding Table)进行高速查找，决策在本地完成
• 硬件级速度：在路由器中通常由 ASIC(专用集成电路) 或 P4 语言编程的交换机实现
• 逐包处理：每个到达的 IP 包独立决策，不考虑全局拓扑

在 IP层，数据平面的具体行为就是转发表查找 + 出口选择 + MAC 封装 + 发送：

• 读取 IP 首部目标地址
• 在 转发表 中执行最长前缀匹配(LPM, Longest Prefix Match)
• 确定出口网卡和下一跳 IP
• 通过 ARP 获取下一跳 MAC，封装以太网帧，交给网卡 DMA 发送

控制平面（路由控制）#

控制平面负责路由选择和路由计算，核心问题是”路由表是怎么来的”。 传统控制平面的两条路径：

1
路由协议报文(OSPF LSA / RIP Response / BGP UPDATE)
2
         ↓
3
IGP：各路由器独立运行最短路径算法（Dijkstra / Bellman-Ford）
4
BGP：各路由器依据策略属性（AS Path、Local Pref 等）执行策略选路
5
         ↓
6
选出最优路由，填充本地路由表（RIB）
7
         ↓
8
将最优路由下发至转发表（FIB），数据平面根据 FIB 转发

1
SDN Controller（控制器）
2
  ├─ 维护全局拓扑(L2/L3 视图)
3
  ├─ 计算转发路径(最短路径/负载均衡/策略路由)
4
  └─ 下发流表(Flow Table)到每台交换机/路由器
5
         ↓
6
每台设备只需执行数据平面转发

路由表查找#

路由器（或主机内核）根据**转发表(FIB)**决定 IP 包的下一跳（内核路由表本质上也是 FIB，控制平面已将最优路由下发至此）：

1. 读取 IP 首部的目标地址
2. 遍历转发表，找到与目标地址网络号匹配的记录
3. 若有多条匹配，选择最长前缀匹配(最具体的路由)
4. 按照转发表记录将包转发给下一跳路由器

环回地址#

127.0.0.1(localhost)是环回地址，用于同一主机上的进程间网络通信。发往该地址的报文不经过网卡，直接在内核协议栈内部处理。 环回地址范围：127.0.0.0/8 (127.0.0.0 ~ 127.255.255.255)

• 通常使用 127.0.0.1
• 整个 127.x.x.x 范围都指向本地，可用于多服务隔离
• 如 127.0.0.1 给 Web 服务，127.0.0.2 给数据库服务

分片字段#

IP 首部中三个字段控制分片：

• 标识 (Identification)：16 位，同一个原始数据报的所有分片拥有相同的标识，接收方靠它识别“哪些碎片是一起的”。
• 标志 (Flags)：
  • DF (Don’t Fragment)：置 1 则禁止分片，若超过 MTU 直接丢弃并回传 ICMP 报错。
  • MF (More Fragments)：为 1 表示后面还有分片，最后一个分片该位为 0。
• 片偏移 (Fragment Offset)：13 位，以 8 字节为单位，表示本分片数据部分在原数据报中的起始位置，这样乱序到达也能正确填入缓冲区。

一个分片实例#

发送 4000 字节的数据报（含 20 字节 IP 头，3980 字节数据），经过以太网（MTU=1500），需要切成 3 片。

每个分片都需要独立的 20 字节 IP 首部，因此单分片最大可承载数据 = 1500 – 20 = 1480 字节，且 1480 正好是 8 的整数倍。

目标主机重组IP分片#

• 重组只在最终目标主机进行，中间路由器绝不重组。
• 主机使用 <标识，源IP，目的IP，协议> 这个四元组来唯一区分一个数据报的所有碎片。收到分片时：

1. 根据标识查找或新建重组缓冲区
2. 依照片偏移直接将数据拷贝到缓冲区的对应位置
3. 当 MF=0 的尾片到达，且从偏移 0 到最末尾的连续数据都已收齐（无空洞），即重组完成，移除分片头交付上层
4. 若在一定时间内（如典型 60~120 秒）未收齐所有碎片，则丢弃整个数据报，并可能向源站发送 ICMP “分片重组超时” 报文。

致命弱点：任何一个分片丢失，整个原始数据报就会被丢弃，上层协议只能全部重传，效率极低。

路径 MTU 发现：用 DF 位探测最小 MTU#

现代网络默认尽量避免 IP 分片，这依赖 路径 MTU 发现 (PMTUD)：

• 发送端将 IP 首部的 DF 位置 1 发出探测包（通常就是业务数据）。
• 若途中某路由器因 MTU 小于包长需要分片，但因为 DF=1 而无法分片，它会丢弃该包并向源端返回 ICMP “需要分片但 DF 已置位” 消息，并携带该链路的 MTU 值。
• 源主机收到后记录该 MTU，后续所有发往同一目的地的数据报都不超过该尺寸。

通过不断调整，最终发现整条路径上的最小 MTU，从源头避免分片。

TCP 的配合：MSS 就在做这件事#

TCP 更是通过 最大段大小 (MSS) 在传输层主动消灭 IP 分片。三次握手时，双方各自在 SYN 中通告自己的 MSS 值，实际使用取双方较小的那个。

在以太网环境下：

1
MSS = MTU (1500) - IP首部 (20) - TCP首部 (20) = 1460 字节

TCP 每次发送的段（包括头部）都不会超过这个大小，因此加上 IP 头后正好等于或小于 1500 字节，从而绝不需要再在 IP 层分片。

• 为什么建议一定避开 IP 分片？：

1. 性能差：分片增加了路由器的处理开销。
2. 可靠性烂：丢一片就意味着整个数据报作废，TCP 被迫重传整个段，放大丢包惩罚。
3. 安全隐患：古老的分片重叠攻击（如 Teardrop）、微小碎片绕过防火墙检测，都是利用分片重组漏洞。
4. NAT/中间设备捣乱：某些老旧或配置不当的 NAT、防火墙不能正确转发分片包，导致断流。

一句话总结： 知道 IP 怎么分片重组就够了；实际生产里，要用 PMTUD 和 MSS 彻底绕开它。

5.1 路由器的体系结构#

从功能上看，路由器由两大部分组成：

1. 控制层面：运行路由协议（OSPF、BGP 等），负责构建和维护路由表。其本质是路由器的“大脑”。
2. 数据层面：根据控制层面生成的转发表，执行具体的比特流转发。其本质是路由器的“肌肉”。

核心组件概览： 输入端口 $\rightarrow$ 交换结构 $\rightarrow$ 输出端口；上方由路由处理器（CPU）统一指挥。

5.2 输入端口处理 (Input Port Processing)#

输入端口是进入路由器的“大门”，处理流程严格遵循协议栈由底向上的解封装过程：

1. 物理层/链路层处理：完成信号接收、比特同步及以太网帧解封装。
2. 网络层查表 (核心)：
   • 查找转发表：根据目的 IP 地址查询 转发表。
   • 最长前缀匹配 (LPM)：当一个 IP 匹配多个路由条目时，选择**掩码最长（网络号最具体）**的那一个。
3. 动作处理：
   • TTL 递减：将 TTL 减 1，若为 0 则丢弃并发送 ICMP 超时报文。
   • 校验和更新：由于 TTL 变了，IP 首部校验和需要重新计算。 技术亮点：TCAM (三态内容寻址存储器) 为了实现线速转发，高端路由器不使用传统的软件算法查表，而是使用 TCAM 硬件。它可以在一个时钟周期内完成匹配，实现真正的“硬件级”查找。

5.3 交换结构 (Switching Fabrics)#

交换结构决定了路由器的整体吞吐量。常见的实现方式演进如下：

扩展：HOL 阻塞 (Head-of-Line Blocking) 如果两个输入端口的数据报都要去同一个输出端口，其中一个被阻塞，而它后面的数据报即使要去空闲的输出端口，也被迫留在队列中。这是影响交换效率的关键因素。

5.4 输出端口处理 (Output Port Processing)#

输出端口负责将交换结构送来的数据报排队并发送到线路上：

1. 排队管理：当进入速率超过链路发出速率时，数据报在缓冲区排队。
2. 分组调度：决定谁先走。
   • FIFO：先进先出。
   • Priority Queuing：高优先级（如语音流量）先走。
   • WFQ (加权公平队列)：按比例分配带宽，防止小流量被大流量“饿死”。
3. 主动队列管理 (AQM)：
   • 尾丢弃 (Tail Drop)：简单粗暴，但会导致 TCP 全局同步（大量 TCP 连接同时降速）。
   • RED (随机早期检测)：队列达到一定阈值时，随机丢弃报文，提醒发送端减速，避免网络拥塞。

5.5 路由处理器 (Routing Processor)#

路由处理器通常是一颗通用的 CPU，其任务是执行“复杂的思考”：

• 构建路由表 (路由表)：运行 RIP、OSPF、IS-IS、BGP 等协议。
• 计算转发路径：使用 Dijkstra 等算法计算最优路径。
• 下发转发表：将计算结果（目的网络 $\rightarrow$ 下一跳/接口）生成紧凑的 转发表 (转发信息库)，推送到线卡（Line Cards）的本地内存中。
• 网络管理：处理 SNMP 协议、SSH 远程登录、告警监控等。

现代高端路由器将转发功能硬件化，路由处理器只负责控制平面，不参与数据平面转发。

IPv6 地址表示#

128 位地址分为 8 组，每组 16 位，用冒号分隔，每组以十六进制表示：

1
完整形式：2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329
2
省略前导零：2001:db8:0:0:0:ff00:42:8329
3
连续零组用 :: 代替(只能用一次)：2001:db8::ff00:42:8329

IPv6 地址类型#

IPv6 没有广播地址，通信模式分三类：

与 Socket 的关联：struct sockaddr_in6 存放 IPv6 通信端点信息，sin6_addr 字段为 16 字节(128 位)的 IPv6 地址，sin6_flowinfo 支持 QoS 流标签，这是 IPv6 首部的直接映射。

ARP：IP 地址 → MAC 地址#

在同一链路上通信，已知目标 IP，需要获取对应的 MAC 地址，由 ARP(Address Resolution Protocol) 完成：

1
主机 A 广播：「谁是 192.168.1.1，请回复你的 MAC」
2
主机 B 单播回复：「我是，我的 MAC 是 AA:BB:CC:DD:EE:FF」
3
主机 C 等收到广播：「我不是这个MAC，我不用回复」
4
主机 A 缓存该映射，后续直接使用

ARP 表项有时效性，超时自动清除。如果链路上无设备持有该 IP，ARP 请求无人应答，IP 包被丢弃。

DHCP：自动分配 IP#

DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) 让设备接入网络时自动获取 IP 地址、子网掩码、网关、DNS 等信息，流程为 4 步广播交互（DORA 过程）：

1
客户端                               DHCP 服务器
2
  │──── DHCP DISCOVER(广播)────────►│  我在找 DHCP 服务器
3
  │◄─── DHCP OFFER(广播)────────────│  我能提供 192.168.1.100
4
  │──── DHCP REQUEST(广播)─────────►│  我接受这个地址
5
  │◄─── DHCP ACK(广播)──────────────│  确认，租期 24 小时

DHCP 报文类型：

获取的参数：

• IP 地址、子网掩码
• 默认网关 (Default Gateway)
• DNS 服务器地址
• 租约时间 (Lease Time)

客户端使用 UDP 68 端口，服务器使用 UDP 67 端口。

租约管理：

• 租约到期前 50%，客户端尝试续租
• 若续租失败，到期前 87.5% 再次尝试
• 若服务器返回 NAK 或无法联系，客户端须停止使用该地址

NAT：公私地址转换#

NAT(Network Address Translation) 让内网多台设备共享一个公网 IP 地址，是解决 IPv4 地址枯竭的主要手段。

1
内网设备                NAT 路由器             外部服务器
2
192.168.1.10:1025  →   120.229.x.x:5001  →   目标服务器:80
3
192.168.1.11:1025  →   120.229.x.x:5002  →   目标服务器:80

ICMP：网络控制报文#

ICMP(Internet Control Message Protocol) 是 IP 的伴生协议，用于传递网络控制信息和错误通知，封装在 IP 数据报中传输。

ICMP 报文分两类：

ping 的工作原理：

1
发送方发出 ICMP Echo Request(类型 8)
2
目标主机收到后回复 ICMP Echo Reply(类型 0)
3
发送方统计 RTT(往返时延)和丢包率

traceroute 的工作原理： 利用 IP 首部的 TTL(Time To Live，生存时间) 字段：每经过一个路由器 TTL 减 1，为 0 时路由器丢弃报文并回复 ICMP Time Exceeded(类型 11)。traceroute 人为设置 从 TTL=1 开始逐步递增，来故意触发每跳路由器报告的“超时”，收集他们的 ICMP 回复，从而探测整条路径。

ICMP 与 Socket 的关联：当 Socket 发出的 TCP/UDP 包到达不可达的目标时，路由器或目标主机发回 ICMP 差错报文。内核解析后，将对应的 socket 标记为错误状态，下一次 socket 操作会返回对应错误码：

• ICMP 主机不可达 / 网络不可达 (Type 3, Code 1/0) → EHOSTUNREACH / ENETUNREACH，TCP/UDP 均适用
• ICMP 端口不可达 (Type 3, Code 3) → 仅用于 UDP；目标端口无进程监听时，目标主机返回该 ICMP，Linux 内核将其映射为 UDP socket 的 ECONNREFUSED
• TCP 的 ECONNREFUSED → 由目标主机回复的 TCP RST 触发（目标端口未监听），与 ICMP 无关；TCP 本身的连接拒绝通过 RST 机制完成，不依赖 ICMP

IGMP：组播组管理#

IGMP(Internet Group Management Protocol) 运行于主机和最后一跳路由器之间，管理组播组的成员关系：

• 加入：主机向路由器发送 Membership Report，路由器开始向该主机转发对应组播流量
• 维持：路由器定期发送 General Query，主机回复 Membership Report 表示仍在组内
• 离开：主机发送 Leave Group 报文，路由器确认无其他成员后停止转发

IGMP 仅管理最后一跳的成员关系，组播流量在路由域内的传播由 PIM(Protocol Independent Multicast) 等组播路由协议负责。