网络层核心知识：IP地址、子网掩码、VLSM、CIDR、ICMP、ARP-平芜编程栈

一、什么是网络层？

OSI模型中，网络层位于数据链路层与传输层之间。

网络层最重要的两个任务：

寻址（Addressing）
路由（Routing）

简单来说：

负责决定数据"发给谁"，以及"走哪条路"。

网络层主要协议：

IPv4
IPv6
ICMP（互联网控制报文协议）
ARP（介于二层和三层之间）
IGMP（互联网组管理协议）

二、什么是IP地址？

IP（Internet Protocol）地址，又称逻辑地址。

每一台联网设备都需要一个唯一的IP地址。

如：

192.168.1.100

IPv4长度：

32bit

二进制表示：

11000000 10101000 00000001 01100100

转换为十进制：

192.168.1.100

此表示方法又称：

点分十进制表示法（Dotted Decimal Notation）

三、IP地址组成

IP地址由两部分组成：

IP地址 ├── 网络位（Network） └── 主机位（Host）

如：

192.168.1.10/24

掩码为：

255.255.255.0

网络位：

192.168.1

主机位：

网络位决定：

属于哪个网段。

主机位决定：

网段中的设备。

四、子网掩码（Subnet Mask）

子网掩码也是32位。

例如：

255.255.255.0

转换二进制：

11111111 11111111 11111111 00000000

子网掩码规律：

1 → 指示网络位 0 → 指示主机位

因此：

192.168.1.100 255.255.255.0 分别转换成二进制： 11000000 10101000 00000001 01100100 11111111 11111111 11111111 00000000

表示：

网络： 11000000 10101000 00000001 即：192.168.1.0 主机： 01100100 即：100

五、有类IP地址

类别	第一字节	默认掩码
A类	1~126	/8
B类	128~191	/16
C类	192~223	/24

注意：

127.x.x.x

不是A类公网地址，而是：

Loopback回环地址

用于本机测试。

六、IP地址类型

一个网段中共有三种地址。

① 网络地址

主机位全部为0。

例如：

192.168.1.0/24

② 广播地址

主机位全部为1。

例如：

192.168.1.255/24

广播作用：

发送给整个网段的所有设备。

③ 主机地址

除去：

一个网络地址
一个广播地址

剩余全部都是可分配地址。

七、IP地址数量计算

假设：

192.168.1.0/24

主机位：

8位

那么：

总地址数： 2^n 2^8 = 256

可用：

2 ^ n - 2 256-2 =254

减去：

网络地址
广播地址

八、VLSM（可变长子网掩码）

背景：因为可用IP地址越来越少，为了节省IP地址

例如：

一个部门：

20台电脑

如果仍然分配：

/24

就会浪费：

254-20=234

因此可以把一个大网段划分多个小网段。

例如：

192.168.1.0/24

划分成4个小网段（每个网段62个可用IP）：

192.168.1.0/26 192.168.1.64/26 192.168.1.128/26 192.168.1.192/26

九、CIDR（无类域间路由）

CIDR：

Classless Inter-Domain Routing

作用：

把多个连续网段聚合。

例如：

192.168.0.0/24 192.168.1.0/24

可以聚合成：

192.168.0.0/23

十、IPv4报文结构

IPv4首部最小：

20Byte

最大：

60Byte

主要字段：

字段	作用
Version	IPv4还是IPv6
Header Length	首部长度
Type of Service	服务类型
Total Length	数据包总长度
Identification	标识位：分片编号
Flags	标志位 3bit Bit 0: 保留位，必须为0。 Bit 1: DF（Don't Fragment），能否分片位，0可以分片，1不能分片。 Bit 2: MF（More Fragment），是否为最后一片，0最后一片，1后面还有。
Fragment Offset	分片偏移
TTL	生存时间
Protocol	上层协议
Header Checksum	首部校验
Source IP	源IP
Destination IP	目的IP

十一、TTL

TTL：

Time To Live

作用：

防止数据包在网络中无限循环。

例如：

TTL=64

每经过一个三层设备就减1：

R1 ↓ 63 ↓ R2 ↓ 62

减到：

路由器立即丢弃。

这也是：

tracert

工作的原理。

十二、Protocol协议号

IPv4不知道里面封装什么协议。

Protocol字段负责告诉接收方。

常见协议号：

协议	编号
ICMP	1
TCP	6
UDP	17
OSPF	89

十三、ARP（地址解析协议）

一种在局域网中将 IP 地址转换为 MAC 地址的通信协议

发送数据之前必须知道：

目标MAC

ARP负责：

IP地址 ↓ MAC地址

例如：

192.168.1.10 ↓ 00-11-22-33-44-55

ARP工作流程：

查询ARP缓存。
没有记录时发送ARP广播。
目标主机回复ARP应答。
双方更新ARP缓存。
正常发送数据。

十四、ICMP协议

ICMP主要用于：

网络诊断
差错报告

常见应用：

ping

使用：

Echo Request ↓ Echo Reply

十五、默认网关

默认网关是主机访问其他网段时的"出口"。

例如：

PC 192.168.1.100 ↓ 默认网关 192.168.1.1 ↓ 互联网

如果没有配置默认网关，主机只能与同一网段设备通信。

十六、MTU与IP分片

MTU（Maximum Transmission Unit）表示链路一次能够传输的最大数据帧载荷，常见以太网MTU为1500 Byte。

当IP数据报大于MTU时：

DF=0：允许分片，路由器可将数据报拆分为多个分片。
DF=1：禁止分片，路由器丢弃数据并返回ICMP"需要分片但设置了DF"报文。

这也是许多VPN、隧道和网络故障排查中经常遇到的问题。

十七、IPv4与IPv6简单对比

项目	IPv4	IPv6
地址长度	32 bit	128 bit
表示方式	点分十进制	冒号十六进制
地址数量	约43亿	几乎无限
广播	支持	不支持（使用组播）
NAT需求	常见	理论上无需NAT

十八、华为eNSP配置IP地址

<Huawei> system-view [Huawei] sysname R1 [R1] interface GigabitEthernet0/0/0 [R1-GigabitEthernet0/0/0] ip address 192.168.1.1 24 [R1-GigabitEthernet0/0/0] display this [R1] display ip interface brief

删除配置：

undo ip address

十九、常见面试题

Q1：为什么需要子网掩码？

用于区分IP地址中的网络位和主机位，从而判断目标是否属于同一网段。

Q2：为什么TTL每经过一台路由器减1？

为了防止路由环路导致数据包无限转发。

Q3：CIDR和VLSM有什么区别？

VLSM：拆分大网段，提高地址利用率。
CIDR：聚合小网段，减少路由表规模。

Q4：ARP属于哪一层协议？

ARP工作在数据链路层与网络层之间，负责将IP地址解析为MAC地址。

网络层核心知识：IP地址、子网掩码、VLSM、CIDR、ICMP、ARP