TCP/IP（四）：IP 地址、子网与路由

写在前面

前几篇走完了分层模型、链路层，又把网络层的 IP 数据报整体结构（头部字段、TTL 的作用）过了一遍。这一篇聚焦 IP 协议里被引用最多、面试最爱考、工程上最常踩坑的部分：IP 地址到底怎么编排、子网怎么划分、路由器怎么查表转发，以及 ICMP 怎么撑起 ping 和 traceroute 。

这些知识在云原生里天天见——配置 Pod 的 CIDR、规划 VPC 子网、写路由表、排查"为什么 ping 不通"，全靠它。

一、IPv4 地址：32 位与点分十进制

IPv4 地址是一个 32 位的无符号整数，为了方便记忆，把它每 8 位切一段、转成十进制、用点连起来，这就是"点分十进制"：

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192      .168      .1        .10
11000000 .10101000 .00000001 .00001010
 └─8位─┘  └─8位─┘  └─8位─┘  └─8位─┘
   第1字节   第2字节   第3字节   第4字节

所以 IPv4 地址总共只有 2³² = 4294967296（约 43 亿）个，这正是地址紧缺、要搞 IPv6 和 NAT 的根本原因。

注意 IP 地址是网络层地址，跨网可路由；而 MAC 地址是链路层地址，只在同一链路内有效。这两套地址体系互不替代，后面讲 ARP 会把它们接起来。

二、网络位与主机位：地址的两段结构

光知道 32 位还不够，关键在于这 32 位要拆成两段：

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   IPv4 地址（32 位）= 网络位 ｜ 主机位
                      └──┬─┘   └──┬─┘
                  标识"哪个网络"  标识"网络里的哪台主机"
                  （路由器靠它转发）（路由到目的网后用它在链路内定位）

网络位（network prefix） —— 决定这个地址属于哪个网段，路由器逐跳转发时只看这部分；
主机位（host part） —— 在同一网段内区分不同主机，只有"到了最后一跳、进了目的网络"之后才用得上。

历史上有 A/B/C 三类地址，靠固定的前几位决定网络位长度（A 类 /8、B 类 /16、C 类 /24）。但这种"定长分类"太死板：一个 /16 网段有 65534 个主机地址，对一个几十台机器的小公司是巨大浪费；一个 /252 又装不下大企业。于是有了子网划分和 CIDR（无类别域间路由）——网络位长度不再由"类别"决定，而是可以任意指定。

三、子网掩码与 CIDR 记法

既然网络位长度可变，就需要一种方式告诉别人"前多少位是网络位"。有两种等价写法：

1. 子网掩码（dotted mask） —— 把网络位全置 1、主机位全置 0，也写成点分十进制：

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前 24 位是网络位：
掩码 = 11111111.11111111.11111111.00000000 = 255.255.255.0

前 22 位是网络位：
掩码 = 11111111.11111111.11111100.00000000 = 255.255.252.0

2. CIDR 记法 —— 在 IP 地址后面直接写 /n，n 就是网络位的位数：

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192.168.1.10/24  →  前 24 位是网络位，掩码 255.255.255.0
10.0.0.5/22      →  前 22 位是网络位，掩码 255.255.252.0

工程里几乎都用 CIDR 记法，因为它一眼就能看出网络位长度。常见的 CIDR 与掩码对应：

CIDR	子网掩码	主机位	可用主机数	典型用途
/8	255.0.0.0	24	16777214	A 类整段、10/8 私有
/16	255.255.0.0	16	65534	中型网络、172.16/12 子段
/24	255.255.255.0	8	254	最常见的子网大小
/28	255.255.255.240	4	14	小网段、云上分配合
/30	255.255.255.252	2	2	点对点链路
/32	255.255.255.255	0	1	单机路由、主机精确匹配

两个特例：可用主机数 = 2^(主机位) − 2 ，因为主机位全 0 的那个是"网络地址"、全 1 的那个是"广播地址"，都不能分配给主机。/31 是个特殊例外（RFC 3021），点对点链路上只有两台主机、不需要广播，所以两个地址都可用；/32 则表示单个主机，没有主机位。

四、动手算：网络地址、广播地址、可用主机数

这是面试高频题，也是规划子网的基本功。规则只有三条：

网络地址 = IP 地址 AND 子网掩码（按位与，主机位清零）；
广播地址 = 网络地址 OR （主机位全 1）；
可用主机数 = 2^(主机位) − 2，范围是"网络地址 + 1"到"广播地址 − 1"。

例 1：192.168.1.10/24

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/24 → 主机位 = 32 − 24 = 8，掩码 255.255.255.0

IP  : 192.168.1.10  = 11000000.10101000.00000001.00001010
掩码: 255.255.255.0 = 11111111.11111111.11111111.00000000
                                  AND ─────────────────────
网络地址: 192.168.1.0  = 11000000.10101000.00000001.00000000

广播地址: 192.168.1.255 = 11000000.10101000.00000001.11111111   (主机位全 1)

可用主机数 = 2^8 − 2 = 254
可用范围  : 192.168.1.1  ~  192.168.1.254

例 2：10.0.0.5/22（非字节边界，更接近真实场景）

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/22 → 主机位 = 32 − 22 = 10，掩码 255.255.252.0

第 3 字节的掩码是 11111100 = 252（注意不是 255，跨了字节边界）

IP  : 10.0.0.5     = 00001010.00000000.00000000.00000101
掩码: 255.255.252.0 = 11111111.11111111.11111100.00000000
                                    AND ──────────────────
网络地址: 10.0.0.0   = 00001010.00000000.00000000.00000000

把后 10 位主机位全置 1 得广播地址：
广播地址: 10.0.3.255 = 00001010.00000000.00000011.11111111
                                    ↑第3字节后2位=11=3

可用主机数 = 2^10 − 2 = 1022
可用范围  : 10.0.0.1  ~  10.0.3.254

第二个例子最容易出错的地方是第 3 字节的边界：掩码 252 说明第 3 字节里只有前 2 位属于网络位，后 2 位属于主机位。所以广播地址的第 3 字节是 00000000 | 00000011 = 3，整个网段横跨 10.0.0.0 ~ 10.0.3.255 这四个"第 3 字节"。

一个速算技巧：对 /24 以上（即掩码在第 4 字节内）的子网，“块大小”= 256 − 掩码字节。比如 /28 掩码是 .240，块大小 = 256 − 240 = 16，所以子网的第 4 字节从 0 开始按 16 递增：.0、.16、.32……这台主机落在哪个块里，网络地址就是那个块的起点。

五、VLSM 与私有地址段

VLSM：可变长子网掩码

CIDR 让网络位长度任意，而 VLSM（Variable Length Subnet Masking，可变长子网掩码） 进一步允许对同一个主网，按不同子网的实际大小切出不同掩码长度。

举个规划例子：一个公司拿到 192.168.10.0/24，要分给几个不同规模的部门：

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部门 A（120 台）: 192.168.10.0/25    → 126 个可用（最省的能盖住 120 的子网）
部门 B（50 台） : 192.168.10.128/26  → 62 个可用
部门 C（25 台） : 192.168.10.192/27  → 30 个可用
点对点互联（2台）: 192.168.10.224/30 → 2 个可用
剩余未分配     : 192.168.10.228/30 ...

没有 VLSM 之前（只能用定长子网掩码 FLSM），所有子网都得按最大的那个来切，地址浪费严重。VLSM 让掩码长度"按需伸缩"，是现代网络和云上 VPC 子网规划的基础。

私有地址段（RFC 1918）

不是所有地址都能在公网路由。RFC 1918 划出三段私有地址，供内网自由使用、不用申请，出公网时靠 NAT 转换：

名称	网段	CIDR	容量
A 类私有	10.0.0.0 ~ 10.255.255.255	10.0.0.0/8	2²⁴（约 1677 万）
B 类私有	172.16.0.0 ~ 172.31.255.255	172.16.0.0/12	2²⁰（约 100 万）
C 类私有	192.168.0.0 ~ 192.168.255.255	192.168.0.0/16	2¹⁶（65536）

家里路由器的 LAN、公司办公网、数据中心内网、云上 VPC、Docker 默认网桥——绝大多数内网都落在这三段里。还有几个特殊段也值得知道：169.254.0.0/16（链路本地，DHCP 拿不到地址时的 fallback）、127.0.0.0/8（环回，localhost）。

六、路由表与最长前缀匹配

IP 地址规划好之后，路由器靠"路由表"决定每个包往哪转发。一条路由条目至少包含三要素：

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目的网络（含掩码） | 下一跳（Next Hop） | 出接口

比如一台主机的路由表可能长这样：

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目的网络         掩码              下一跳         接口
0.0.0.0          0.0.0.0           192.168.1.1   eth0   ← 默认路由（兜底）
192.168.1.0      255.255.255.0     0.0.0.0(本机)  eth0   ← 直连子网
10.0.0.0         255.255.252.0     192.168.1.254 eth0   ← 去往 10.0.0.0/22

最长前缀匹配（Longest Prefix Match）

当一个目的地址能匹配多条路由时，路由器永远选掩码最长（最具体）的那条——因为掩码越长、网络位越精确，指向的网段越小。

举例：要发往 10.0.0.50，路由表里有 10.0.0.0/22 和 10.0.0.0/24 两条。两者都能匹配（50 落在这两个网段里），但 /24 比 /22 更长更具体，于是走 /24 那条。

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目的 10.0.0.50
   ├─ 命中 10.0.0.0/22   (网络位 22)
   └─ 命中 10.0.0.0/24   (网络位 24) ← 更长，优先选这条

默认路由与默认网关

如果没有任何具体路由能匹配目的地址怎么办？交给默认路由 0.0.0.0/0。它的掩码是 0 位，能匹配任意地址，所以它是"兜底"——按最长前缀匹配规则，它永远排在最后才被选中。

家宽场景里，主机的默认路由下一跳就是默认网关（家用路由器的 LAN 口 IP），所有"非本网段"的流量都甩给它，由它继续往运营商转发。ip route 或 route -n 看到的 default via ... 就是这条。

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default via 192.168.1.1 dev eth0      ← 等价于 0.0.0.0/0 via 192.168.1.1

七、ICMP：ping 与 traceroute 的底层

IP 协议本身只管"尽力把包送到"，不反馈任何状态。ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议） 就是 IP 层的"信使"，用来报告差错和探测网络——ping 和 traceroute 都建立在它之上。

严格说 ICMP 工作在网络层（和 IP 同层，封装在 IP 包里，协议号 1），没有端口号，不涉及传输层。所以"ping 某个端口"在 ICMP 意义上是不成立的——ping 只能测主机可达性。

ping：Echo Request / Echo Reply

ping 的原理极其简单——发一个 ICMP Echo Request（类型 8，代码 0） 给目标，目标收到后回一个 Echo Reply（类型 0，代码 0），一来一回就能算 RTT 和丢包：

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本机                                目标主机
  │                                   │
  │── Echo Request (Type 8) ─────────►│
  │                                   │
  │◄──────── Echo Reply (Type 0) ──────┤
  │   记录往返时间 RTT                 │

ping 不通的原因很多：目标离线、路由不可达、防火墙丢弃了 ICMP（很多生产环境出于安全只放行业务端口、禁 ping，所以"ping 不通 ≠ 服务不可用"，这点排查时要记牢）。

traceroute：靠 TTL 递增一跳跳摸路径

traceroute 巧妙利用了 IP 头部里的 TTL（Time To Live，生存时间） 字段。每经过一台路由器，TTL 减 1；一旦减到 0，路由器就丢弃该包并回送一个 ICMP Time Exceeded（类型 11） 给源。traceroute 正是靠这个回包"自报家门"的：

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源                          路由器A        路由器B        目标
 │
 │  TTL=1 ─────────────────►│
 │                          │ TTL-1=0，丢弃
 │◄──── ICMP Time Exceeded──┤           （记录 A 的地址 + 耗时）
 │
 │  TTL=2 ─────────────────►│转发, TTL=1►│
 │                          │            │ TTL-1=0，丢弃
 │◄────────── ICMP Time Exceeded─────────┤          （记录 B）
 │
 │  TTL=3 ─────────────────►│ ─────────►│ ─────────►│
 │                                             到达目标
 │◄────────── Echo Reply / Port Unreachable ───┤     （结束）

过程是：先发 TTL=1，第一台路由器把 TTL 减到 0、回 Time Exceeded，于是知道了第一跳；再发 TTL=2，第二台路由器回包，知道第二跳……如此递增，直到某个探测包真正到达目标，目标回一个应答（ICMP Echo Reply 或 UDP 端口不可达），路径就摸完了。

一个跨平台要注意的细节：探测包用什么协议，不同系统不一样——

Linux 的 traceroute（传统默认）发 UDP 探测包，目的端口用一个递增的高端口，目标通常因端口未监听而回 ICMP Port Unreachable（类型 3）；
Windows 的 tracert 发 ICMP Echo Request 探测包，目标回 Echo Reply。

两者定位每一跳都靠中间路由器回的 ICMP Time Exceeded（类型 11），只是"到达目标后收到的那个结束应答"不同。现代 Linux 也可以用 traceroute -I 强制走 ICMP、mtr 做持续式路径探测，在排查抖动时更顺手。

小结

IPv4 地址是 32 位整数，点分十进制只是写法；核心在于它被切成网络位 + 主机位 ；
子网掩码和 CIDR /n 是描述网络位长度的两种等价方式，可用主机数 = 2^(主机位) − 2；
网络地址 = IP AND 掩码，广播地址 = 主机位全 1；非字节边界（如 /22）的算法要练熟；
VLSM 让同一主网按需切出不同掩码；私有地址段（10/8、172.16/12、192.168/16）供内网自由使用；
路由器按最长前缀匹配选路，默认路由 0.0.0.0/0 是兜底；
ICMP 是 IP 层信使，ping 用 Echo Request/Reply 测可达性，traceroute 靠 TTL 递增 + Time Exceeded 逐跳摸路径。

下一篇：TCP/IP（五）：传输层与 UDP —— 从"主机到主机"上升到"进程到进程"，讲清端口号、套接字，以及 UDP 这个"极简"传输层协议的头部、校验和和适用场景。

参考：
Address Allocation for Private Internets (RFC 1918)
Classless Inter-Domain Routing (CIDR) — RFC 4632
Using 31-Bit Prefixes on Point-to-Point Links (RFC 3021)
ICMP Parameters — IANA
traceroute — Wikipedia