网络层与 IP 编址：IPv4、IPv6、子网与 NAT

网络层负责端到端的数据传输（Host-to-Host），核心是 IP 协议。本文整理 IPv4/IPv6 地址结构、子网划分与掩码、NAT 地址转换，以及 IP 数据报格式与分片，作为理解路由（另篇）的基础。

一、网络层的职责

网络层向上为传输层提供服务，向下屏蔽底层链路差异。核心功能：

• 寻址（Addressing）：用 IP 地址标识主机。
• 路由（Routing）：决定数据包从源到目的走哪条路径（见路由算法篇）。
• 转发（Forwarding）：根据路由表将数据包转发到下一跳。

数据在传输层被分成段（Segment），网络层封装为数据报（Datagram）。

二、IPv4 地址

IPv4 用 32 位（4 字节）标识主机，点分十进制表示：192.168.1.1。

地址由网络号 + 主机号组成，通过网络掩码区分。

分类编址（Classful）

早期按首位划分 A-E 类：

无类别域间路由（CIDR）

现代用 CIDR（Classless Inter-Domain Routing），以 /前缀长度 表示网络位，如 192.168.1.0/24 表示前 24 位是网络号。

三、子网划分与掩码

子网掩码（Subnet Mask） 用于区分网络位与主机位。与 IP 地址按位"与"得到网络号。

例：192.168.1.10/24，掩码 255.255.255.0：

• 网络号 = 192.168.1.0
• 主机号 = .10

子网划分：把一个大网段切成多个子网，提升地址利用与隔离。主机位再借若干位作子网号。

例：192.168.1.0/24 借 2 位主机位划 4 个子网：

• 192.168.1.0/26、.64/26、.128/26、.192/26
• 每个子网可用主机数 = 2⁶ − 2 = 62（减去网络号与广播地址）。

特殊地址：

• 网络号（主机位全 0）：网络本身。
• 广播地址（主机位全 1）：向该网络所有主机广播。
• 127.0.0.1：回环地址（localhost）。
• 私有地址：10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16，仅局域网内使用。

四、IPv6

IPv4 地址已耗尽，IPv6 用 128 位，冒号十六进制表示：

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

• 地址容量巨大（约 3.4×10³⁸）。
• 取消广播，用组播与任播。
• 自动配置（SLAAC）：无 DHCP 也可自动获取地址。
• 简化报头、内建安全与移动支持。
• 双栈/隧道技术实现 IPv4/IPv6 过渡。

五、IP 数据报格式

IPv4 报头关键字段：

• 版本（4bit）：IPv4=4。
• 首部长度（4bit）。
• 总长度（16bit）：整个数据报字节数。
• 标识/标志/片偏移：用于分片与重组。
• TTL（Time To Live）：最大跳数，防止无限循环（每经过一跳减 1，为 0 丢弃）。
• 协议：指明上层协议（TCP=6，UDP=17，ICMP=1）。
• 首部校验和。
• 源/目的 IP 地址。

分片与重组

当数据报超过底层链路 MTU（最大传输单元，如以太网 1500 字节）时，路由器将其分片，到达目的后按标识与偏移重组。IPv6 由发送方分片，中间路由器不再分片。

六、NAT（网络地址转换）

NAT 让内网私有地址通过一个公网 IP 访问互联网。

• 内网主机用私有 IP；出口路由器做 NAPT（网络地址端口转换），把私有 IP+端口映射为公网 IP+新端口，并维护转换表。
• 返回包按表反向映射回内网主机。

优点：缓解 IPv4 地址短缺、隐藏内网结构（一定程度的安全性）。 缺点：破坏端到端模型，对点对点通信（P2P、内网穿透）不友好。

NAT 地址转换示意（内网多主机共享一个公网 IP）：

小结

• 网络层用 IP 地址做端到端寻址与转发。
• IPv4 用 CIDR+子网掩码划分网络，IPv6 以 128 位解决地址枯竭。
• IP 数据报含 TTL、分片字段等关键信息。
• NAT 将私有地址映射为公网地址，缓解地址短缺但影响端到端连接。