IP 与路由

IP 协议工作在网络层，负责跨网段寻址与数据包转发；路由协议负责维护路由表，决定数据包的转发路径。

IPv4

32 位，点分十进制，约 43 亿个地址：

类型	范围	用途
私有地址	10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16	局域网内部
回环地址	127.0.0.0/8	本机通信（127.0.0.1）
链路本地	169.254.0.0/16	APIPA，DHCP 失败时自动分配
组播地址	224.0.0.0/4	D 类，多播组
广播地址	255.255.255.255	有限广播
公网地址	其余	互联网通信

IPv4 头部关键字段

版本(4) │ IHL │ DSCP/ECN │    总长度(16)
─────────────────────────────────────────
         标识(16)         │标志│ 片偏移(13)
─────────────────────────────────────────
  TTL(8) │  协议(8)   │   首部校验和(16)
─────────────────────────────────────────
                源 IP 地址(32)
─────────────────────────────────────────
               目标 IP 地址(32)

TTL（Time To Live）：每经路由器减 1，归零则丢弃并回 ICMP Time Exceeded，防止包循环。traceroute 通过逐跳递增 TTL 探测路径。
协议字段：6=TCP，17=UDP，1=ICMP，89=OSPF
标志位：DF（Don’t Fragment）禁止分片，MF（More Fragments）后续还有分片

子网划分（CIDR）

CIDR（无类域间路由）：用前缀长度 /N 替代固定类别，灵活分配地址空间。

192.168.1.0/24
             └── 前 24 位网络部分，后 8 位主机部分
                 网络地址：192.168.1.0
                 广播地址：192.168.1.255
                 可用主机：192.168.1.1 ~ 192.168.1.254（共 254 台）

前缀	子网掩码	主机数	典型用途
/8	255.0.0.0	16,777,214	A 类大型网络
/16	255.255.0.0	65,534	企业内网
/24	255.255.255.0	254	常用局域网段
/25	255.255.255.128	126	划分两个子网
/26	255.255.255.192	62	小型部门
/30	255.255.255.252	2	点对点链路
/32	255.255.255.255	1（主机路由）	特定主机路由

VLSM（可变长子网掩码）

按需分配不同大小的子网，节省地址：

10.0.0.0/24 划分给三个部门：

  销售部（100 台）→ 10.0.0.0/25   （126 可用）
  研发部（50 台） → 10.0.0.128/26 （62 可用）
  IT部  （10 台） → 10.0.0.192/28 （14 可用）
  WAN链路（2台） → 10.0.0.208/30 （2 可用）

超网（Supernetting / 路由聚合）

将多个连续子网合并为一条路由，减少路由表条目：

192.168.0.0/24
192.168.1.0/24   →  聚合为 192.168.0.0/23（包含两个 /24）

IPv6

128 位，冒号十六进制，约 3.4×10³⁸ 个地址，从根本上解决地址耗尽问题。

完整格式：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
简写规则：连续全 0 段用 :: 代替（仅用一次），前导 0 省略
简写后：  2001:db8:85a3::8a2e:370:7334

IPv6 地址类型

类型	前缀	说明
全局单播（GUA）	2000::/3	可路由的公网地址
链路本地（LLA）	fe80::/10	同链路通信，不可跨路由器
唯一本地（ULA）	fc00::/7	私有地址，类似 RFC1918
多播	ff00::/8	组播，无广播概念
回环	::1/128	等同于 127.0.0.1

NDP（邻居发现协议）

IPv6 用 NDP（ICMPv6）替代了 ARP：

功能对照：
  ARP（IPv4）  →  NDP 邻居请求/通告（Neighbor Solicitation/Advertisement）
  RARP        →  无状态地址自动配置（SLAAC）
  路由发现     →  路由器请求/通告（RS/RA）

NDP 地址解析过程：
  节点 A 想联系 fe80::2：
  → 发送 ICMPv6 NS（目标：对应组播地址 ff02::1:ff00:2）
  → 节点 B 回复 NA：包含自己的 MAC 地址

双栈与过渡机制

机制	说明
双栈（Dual Stack）	主机同时支持 IPv4 和 IPv6，优先使用 IPv6（RFC 6724）
6to4 隧道	将 IPv6 包封装在 IPv4 包中穿越 IPv4 网络
NAT64 / DNS64	IPv6-only 客户端访问 IPv4 服务（运营商过渡方案）

NAT（网络地址转换）

多台私有地址主机共用一个公网 IP：

局域网（192.168.1.x）→ NAT 路由器（公网 1.2.3.4）→ 互联网

出站 NAPT（端口转换）：
  内网 192.168.1.2:5000 → 公网 1.2.3.4:10001
  内网 192.168.1.3:5000 → 公网 1.2.3.4:10002
  （通过端口区分不同内网主机）

SNAT vs DNAT

类型	修改方向	典型用途
SNAT（源 NAT）	修改源 IP/Port	内网主机访问外网（共享公网 IP）
DNAT（目标 NAT）	修改目标 IP/Port	外网访问内网服务（端口映射/反向代理）

# iptables SNAT（内网出口）
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.0/24 -o eth0 -j MASQUERADE
 
# iptables DNAT（端口映射，外网 80 → 内网 8080）
iptables -t nat -A PREROUTING -i eth0 -p tcp --dport 80 \
  -j DNAT --to-destination 192.168.1.10:8080

NAT 穿透（P2P 场景）

NAT 阻碍了外部主动连接内网主机，常用穿透方法：

STUN：客户端探测自己的公网 IP:Port
TURN：通过中继服务器转发（完全绕过 NAT）
ICE：综合 STUN/TURN 的候选地址协商（WebRTC 使用）

IP 分片与 MTU

MTU（最大传输单元）

数据链路层单帧能携带的最大 IP 数据报大小：

链路类型	典型 MTU
以太网	1500 字节
Wi-Fi	2304 字节（但实际走以太网时 1500）
PPPoE	1492 字节（额外 8 字节头）
GRE 隧道	1476 字节（减去隧道头开销）
Loopback	65536 字节

IP 分片

当 IP 包超过链路 MTU，路由器将其分片（IPv4 路由器可分片；IPv6 只有源主机分片）：

原始 IP 包（3000 字节，MTU=1500）：
  → 分片 1：标识=101，MF=1，偏移=0，长度=1500
  → 分片 2：标识=101，MF=0，偏移=185（185×8=1480），长度=1520
  接收端重组（标识相同 + 偏移排序）

PMTUD（路径 MTU 发现）

端到端协商最佳 MTU，避免分片：

发送方设置 DF 位（Don’t Fragment）
路径上某路由器 MTU 不足 → 丢包并回 ICMP “Fragmentation Needed” 含路由器 MTU
发送方降低包大小重传
持续探测直到找到路径最小 MTU

# 测试路径 MTU（Linux）
tracepath -n 8.8.8.8       # 自动探测路径 MTU
ping -M do -s 1472 8.8.8.8 # 手动指定包大小，-M do 设置 DF 位

DHCP（动态主机配置）

主机启动时自动获取 IP、掩码、网关、DNS，通过 UDP 广播（67/68 端口）：

客户端                                DHCP 服务器
  │                                         │
  │── DHCP Discover（广播，我需要 IP）────────►│  D: 广播寻找服务器
  │◄─ DHCP Offer（提供 IP 192.168.1.100）────│  O: 服务器报价
  │── DHCP Request（广播，我要那个 IP）────────►│  R: 客户端选择
  │◄─ DHCP Ack（确认，租期 24h）──────────────│  A: 服务器确认
  │           IP 生效                        │

DHCP 中继（Relay Agent）：跨网段 DHCP，路由器将广播转为单播转发给 DHCP 服务器。

# Linux 查看 DHCP 租约
cat /var/lib/dhcp/dhclient.leases
dhclient -v eth0          # 手动重新获取

路由表与最长前缀匹配

路由器收到 IP 包后，查路由表选最长匹配的路由（更具体的路由优先）：

路由表示例：
  目标网络           下一跳          接口    度量
  10.0.0.0/8        192.168.1.1    eth0    10
  10.1.0.0/16       192.168.1.2    eth0    5   ← 更具体
  10.1.1.0/24       直接连接        eth1    0   ← 最具体，优先
  0.0.0.0/0         203.0.113.1    eth2    1   ← 默认路由（兜底）

目标 IP 10.1.1.5 匹配 10.1.1.0/24（/24 > /16 > /8）

# Linux 查看路由表
ip route show
ip route get 8.8.8.8         # 查询特定目标会走哪条路由
 
# 添加静态路由
ip route add 192.168.2.0/24 via 10.0.0.1 dev eth0
 
# 默认网关
ip route add default via 192.168.1.1

ECMP（等价多路径）

多条等价路由同时存在，实现负载均衡：

# 添加 ECMP 路由（Linux 内核支持）
ip route add 10.0.0.0/8 \
  nexthop via 192.168.1.1 dev eth0 weight 1 \
  nexthop via 192.168.1.2 dev eth1 weight 1

路由协议

协议	类型	适用	核心算法
静态路由	手动配置	简单拓扑	—
RIP	距离向量	小型网络	Bellman-Ford，跳数度量（max 15）
OSPF	链路状态	企业内网	Dijkstra 最短路径
BGP	路径向量	互联网骨干	路径属性选路

OSPF 区域划分

骨干区域（Area 0）
    │
    ├── Area 1（普通区域）
    │     └── ABR（区域边界路由器）连接 Area 0
    ├── Area 2（Stub 区域，不接受外部路由）
    └── Area 3

OSPF 路由器通过 LSA（链路状态通告）泛洪建立完整拓扑图（LSDB），每台路由器独立运行 Dijkstra 计算最短路径树。

BGP 路径属性

BGP 通过多个属性控制路径选择（优先级从高到低）：

Weight（Cisco 私有，本地优先）
Local Preference（AS 内优先级）
AS Path 长度（经过的 AS 数，越短越好）
Origin（IGP > EGP > incomplete）
MED（Multi-Exit Discriminator，外部 AS 建议入口）

ICMP

网络层控制协议，用于错误报告和网络诊断：

ICMP 类型	用途
Echo Request/Reply（Type 8/0）	ping 连通性测试
Destination Unreachable（Type 3）	目标不可达，含端口不可达
Time Exceeded（Type 11）	TTL 归零，traceroute 利用此实现
Redirect（Type 5）	路由器通知主机用更好的下一跳
Fragmentation Needed（Type 3 Code 4）	PMTUD 依赖此消息

ping 8.8.8.8                   # 测试连通性（ICMP Echo）
ping -c 4 -W 1 8.8.8.8         # 发 4 包，超时 1s
traceroute 8.8.8.8             # 追踪路由路径（TTL 递增）
traceroute -T -p 443 8.8.8.8   # 用 TCP 443 traceroute（穿越防火墙）
mtr 8.8.8.8                    # 实时 traceroute + 丢包率统计

ARP（地址解析协议）

将 IP 地址解析为 MAC 地址，用于同一局域网内通信：

主机 A（192.168.1.2）想发数据给 192.168.1.5：

① ARP 请求（广播）：
   src:MAC-A → dst:FF:FF:FF:FF:FF:FF
   "谁是 192.168.1.5？请告诉我你的 MAC"

② ARP 应答（单播）：
   "我是 192.168.1.5，MAC 是 00:AA:BB:CC:DD:EE"

③ 主机 A 缓存 IP→MAC 映射（ARP 缓存），有效期约 20 分钟

arp -n          # 查看 ARP 缓存（Linux）
arp -a          # Windows
arp -d 192.168.1.5   # 删除指定缓存条目
 
# Gratuitous ARP（免费 ARP）：主机主动通告自己的 IP/MAC 映射
# 用途：更新其他主机的 ARP 缓存（如 HA 故障切换、IP 变更）

隧道协议

将一种网络包封装在另一种包内传输，用于 VPN、跨网段互联、Overlay 网络：

协议	封装方式	用途
GRE	IP over IP（增加 24 字节头）	点对点隧道，连接两个网络
IPIP	IP over IP（最简单）	轻量级隧道
VXLAN	UDP 封装 L2 帧（8 字节头+UDP+IP）	数据中心 Overlay，支持多租户
WireGuard	UDP + 现代密码学	高性能 VPN 隧道

# 创建 GRE 隧道（Linux）
ip tunnel add tun0 mode gre remote 203.0.113.1 local 198.51.100.1
ip link set tun0 up
ip addr add 10.0.0.1/30 dev tun0
 
# VXLAN（容器网络，Docker/K8s 常用）
ip link add vxlan100 type vxlan id 100 dstport 4789 \
  remote 192.168.1.2 local 192.168.1.1 dev eth0

策略路由（PBR）

按源 IP、入接口、报文标记等策略选择路由，而非仅按目标 IP：

# 场景：来自 192.168.1.0/24 的流量走 ISP1，其他走 ISP2
 
# 1. 建立路由表 100
ip route add default via 203.0.113.1 table 100
 
# 2. 添加策略规则
ip rule add from 192.168.1.0/24 table 100
 
# 查看策略规则
ip rule show

知识仓库

探索

IP 与路由

IP 与路由

IPv4

IPv4 头部关键字段

子网划分（CIDR）

VLSM（可变长子网掩码）

超网（Supernetting / 路由聚合）

IPv6

IPv6 地址类型

NDP（邻居发现协议）

双栈与过渡机制

NAT（网络地址转换）

SNAT vs DNAT

NAT 穿透（P2P 场景）

IP 分片与 MTU

MTU（最大传输单元）

IP 分片

PMTUD（路径 MTU 发现）

DHCP（动态主机配置）

路由表与最长前缀匹配

ECMP（等价多路径）

路由协议

OSPF 区域划分

BGP 路径属性

ICMP

ARP（地址解析协议）

隧道协议

策略路由（PBR）

相关

关系图谱

目录

反向链接