CN-3 网络层（IP、子网与路由）

这一部分为什么存在？

数据链路层 + 交换机解决的是同一个局域网内的通信。但世界上的网络成千上万、技术各异（以太网、WiFi、广域链路），要互通必须回答：

1. 统一编址：每台主机一个全球逻辑地址（IP），与具体链路技术解耦；
2. 选路：从源到目的跨多个网络，每条岔路（路由器）怎么决定往哪转 → 路由算法与路由协议；
3. 地址不够分：IPv4 只有 32 位，地址浪费曾是灾难 → 子网划分、CIDR、NAT 三代补丁；
4. 链路大小不一：各链路 MTU 不同，大包过小网要切片 → 分片机制；
5. 出错了怎么报告：IP 本身不可靠，需要一个“捎信人” → ICMP。

没有网络层：世界退回一个个孤立的局域网，互联网不存在。

flowchart TD
    A["跨网络通信需求"] --> B["统一编址：IPv4 32 位"]
    B --> C["地址浪费 → 子网划分<br/>→ CIDR（无类别 + 聚合）"]
    B --> D["地址枯竭 → NAT"]
    B --> E["选路：路由器 + 路由表<br/>最长前缀匹配"]
    E --> F["路由表怎么来？<br/>RIP(DV) / OSPF(LS) / BGP(路径向量)"]
    A --> G["各链路 MTU 不同 → 分片"]
    A --> H["出错报告 → ICMP"]
    B -.每跳要找下一跳 MAC.-> I["ARP：IP → MAC"]
    B -.自动配地址.-> J["DHCP"]

核心概念：

1. 子网划分两模板（来源：复习资料 P5 模板 3/4）

定长划分：借 $n$ 位满足子网数、主机位 $m$ 满足 $2^m - 2 \geq$ 主机数，两者挤占 32 位 → 2017-38：/16 划 128 子网 → /23，每子网 $2^9 - 2 = 510$。

VLSM 变长划分（大题核心）：按需求从大到小排序，逐个取满足 $2^m - 2 \geq h$ 的最小 $m$，沿地址空间连续切分不重叠。2025-47(3)：/24 分给 120/60/60 → /25 + /26 + /26 恰好铺满。2019-37：/20 划 5 个子网，问可能的最小子网（VLSM 下可以让大需求吃饱后，小需求用很长前缀）。2021-35：已知一子网 192.168.9.128/26，判断另两个子网哪个不可能（二进制边界不重叠检查）。

2. IP 分片计算（来源：复习资料 P5 模板 6）

$\text{每片最大数据} = \left\lfloor \frac{MTU - 20}{8} \right\rfloor \times 8,\qquad \text{片偏移} = \frac{\text{该片数据起始位置}}{8}$

• 2018-47：1500B（数据 1480B）过 MTU=800 → 每片 776B → 2 片，偏移 0 与 97。
• 2021-36：1580B（数据 1560B）过 MTU=800 → 776+776+8 → 3 片；第 2 片总长 776+20=796、MF=1。
• 为什么偏移以 8 为单位（补充理解）：片偏移字段只有 13 位却要标记最大 64KB 数据报内的位置，$2^{13} \times 8 = 2^{16}$，所以协议规定一切分片数据长度必须是 8 的倍数。

3. 路由算法：DV vs LS（两种“学地图”的方式）

BGP（AS 之间）：路径向量，交换“可达性 + 经过的 AS 路径”，走 TCP 179；eBGP（AS 间）/iBGP（AS 内）会话与 UPDATE 报文（2024-47 大题全链条）。三种协议的封装层不同是常考点：RIP→UDP、OSPF→IP、BGP→TCP（2017-37）。

4. 一次转发的完整动作（与 CN-2、CN-6 的连接点）

路由器收到帧 → 解封得 IP 分组 → 查路由表（最长前缀匹配）→ TTL−1（为 0 则丢弃并发 ICMP 超时报文）→ 重算首部校验和 → 用 ARP 找下一跳的 MAC → 重新封装帧发出。IP 地址全程不变（NAT 除外），MAC 地址每跳重写——2018-37 与 2015-47 的核心考点，也是链路层/网络层分工的实体化。

数据报 vs 虚电路（网络层第一易混对）：为什么易混——都是分组交换的子类。本质区别——数据报无连接：每个分组独立选路（可能乱序、路径不同），网络不保证可靠，可靠交给端系统（TCP），这是互联网的选择；虚电路面向连接：先建通路，所有分组沿同一路径（如 ATM）。判别线索：题目说“IP 网络/互联网”→ 数据报；说“建立连接后按序到达、网络层保证可靠”→ 虚电路。

ARP vs DNS vs DHCP（三个“问路人”）：ARP 问“这个 IP 的 MAC 是什么”（链路层帮手，广播域内）；DNS 问“这个域名的 IP 是什么”（应用层，跨网络）；DHCP 问“谁能给我一套网络配置”（开机入网）。判别线索：看解析的对象：域名→DNS、IP→MAC 是 ARP、要地址是 DHCP。

形态一：子网划分/聚合计算：2010-37、2012-39（广播地址 180.80.79.255）、2017-38、2018-38、2019-37、2021-35、2022-35/36、2023-39（/20 最小/最大可分配地址 168.16.80.1 / 168.16.95.254）、2009-47（划分 + 写路由表大题）、2013-47（聚合最简路由表大题）。

形态二：分片：2018-47、2021-36、2024-47（FTP 场景 MTU=1000 与 TCP 综合）。

形态三：路由算法与协议：2010-35、2014-42（OSPF 大题）、2016-37、2017-37（封装层）、2021-37、2024-47（RIP/OSPF/BGP 选择与会话大题）。

形态四：辅助协议与综合：2010-36（ICMP 源点抑制）、2012-33/38、2015-47（DHCP+ARP+网关大题）、2022-47（DHCP Discover 广播）、2023-38（NAT）、2018-37（跨路由器的 MAC 重写）。

做题触发词：看到“掩码 + 一个 IP”→ 先求网络地址与广播地址；看到“划分 N 个子网”→ 借位 + 减 2；看到“MTU”→ 每片数据取 8 的倍数、偏移除以 8；看到“16”→ RIP 不可达；看到“目的 MAC”→ 想的是下一跳不是最终目的。

来源：真题markdown/2009-2024统考真题.md、2025 年真题 md；复习资料 P5 §1.3、模板 3–7。

• 向前依赖：CN-2（帧的封装与交换机；ARP 依赖广播域概念）、CN-0（分层与封装）。
• 向后引出：
  • IP 只到主机且不可靠 → CN-4 传输层（端口 + 可靠）；
  • IP 地址从哪来 → DNS/DHCP（CN-5）；一次完整通信中 IP 与 TCP、ARP、DNS 的接力 → CN-6 全景（2021-47、2022-47、2019-47、2020-47 历年大题都是这一层的综合应用）；
  • 路由表查找 → 数据结构中的前缀树（2020-42 前缀编码大题暗合，X-8）；
  • Dijkstra → DS-4 图的最短路径（同一算法，DS 与 CN 的交叉点）。

1. 交换机能连全世界吗？跨网络必须新增什么？（统一编址 + 选路）
2. IP 地址怎么切分子网？为什么可用主机数要减 2？
3. 路由表太大怎么办？聚合的规则和转发的匹配规则各是什么？（最长公共前缀 / 最长前缀匹配）
4. IPv4 地址不够了有哪三代补丁？（子网划分 → CIDR → NAT）
5. 大包过小网怎么办？片偏移为什么以 8 为单位？MF 和 DF 各管什么？
6. 路由表是谁算出来的？DV 和 LS 各怎么“学地图”？（邻居换表 vs 泛洪 + Dijkstra）
7. RIP 的 16 意味着什么？为什么大 AS 要用 OSPF？
8. RIP、OSPF、BGP 分别封装在什么协议里？BGP 解决什么问题？
9. IP 出错谁报告？拥塞丢包发什么 ICMP 报文？
10. 主机怎么把 IP 变成 MAC？跨路由器时帧的目的 MAC 是谁？（下一跳；IP 不变、MAC 每跳重写）
11. 新主机开机怎么拿到地址？（DHCP 四步，Discover 广播）
12. 一个 IP 分组从源到目的，每一跳网络层和链路层各做了什么？（接 CN-6 全景）