讲解子网划分、CIDR、NAT、ARP、DHCP 与 ICMP 的工作原理及地址计算方法。

# 子网划分

子网划分是在原有网络号和主机号结构中，借用部分主机号作为子网号，把一个大网络划分成多个小网络。

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IP 地址 = 网络号 + 子网号 + 主机号

目的：

• 提高地址利用率。
• 减少广播范围。
• 便于网络管理。
• 支持层次化路由。

# 子网掩码

子网掩码用连续的 1 表示网络部分，用连续的 0 表示主机部分。

例如：

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IP:      192.168.1.130
Mask:    255.255.255.192
CIDR:    192.168.1.130/26

/26 表示前 26 bit 是网络部分，剩余 6 bit 是主机部分。

可用主机数：

$$2^h - 2$$

其中 $h$ 为主机号位数，减去网络地址和广播地址。

# CIDR

CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无分类域间路由）不再固定使用 A/B/C 类默认边界，而是使用斜线记法：

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IP 地址/前缀长度

例如：

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192.168.10.0/24
10.0.0.0/8
172.16.0.0/12

CIDR 优点：

• 地址分配更灵活。
• 减少地址浪费。
• 支持路由聚合。

# 路由聚合

路由聚合把多个连续网络合并成一个较短前缀的路由项。

例：

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192.168.0.0/24
192.168.1.0/24
192.168.2.0/24
192.168.3.0/24

可以聚合为：

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192.168.0.0/22

前提：

• 网络地址连续。
• 前缀可以找到共同前缀。
• 聚合后不能包含不该到达的网络，除非题目允许。

# NAT

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）在私有地址和公网地址之间转换。

常见家庭网络：

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flowchart LR
    A[192.168.1.2] --> R[NAT 路由器<br/>公网 IP]
    B[192.168.1.3] --> R
    R --> I[Internet]

# NAT 的作用

• 缓解 IPv4 地址不足。
• 允许私有网络访问公网。
• 隐藏内部网络结构。

# NAPT

实际常用的是 NAPT，即同时转换 IP 地址和端口号。

NAT 路由器通过转换表把返回报文映射回内部主机。

# ARP

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）用于根据 IPv4 地址获得同一链路上的 MAC 地址。

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sequenceDiagram
    participant A as 主机 A
    participant S as 交换机
    participant B as 主机 B
    A->>S: ARP Request<br/>谁是 IP_B?
    S->>B: 广播 ARP Request
    B-->>S: ARP Reply<br/>IP_B 对应 MAC_B
    S-->>A: 单播 ARP Reply

# ARP 流程

1. 主机 A 查询 ARP 缓存。
2. 若没有目标 IP 对应 MAC，则广播 ARP 请求。
3. 同一局域网内所有主机收到请求。
4. 目标 IP 对应主机返回 ARP 响应。
5. 主机 A 更新 ARP 缓存。
6. 主机 A 使用目标 MAC 封装以太网帧。

# 跨网络时解析谁的 MAC

若目的 IP 与源主机不在同一子网：

• 主机不会解析最终目的主机的 MAC。
• 主机会解析默认网关的 MAC。
• 帧发给网关，IP 数据报目的地址仍然是最终目的 IP。

# DHCP

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议）用于自动分配网络配置。

可分配内容：

• IP 地址。
• 子网掩码。
• 默认网关。
• DNS 服务器。
• 租约时间。

DHCP 使用 UDP：

• 服务器端口 67。
• 客户端端口 68。

# DHCP 四步

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sequenceDiagram
    participant C as DHCP Client
    participant S as DHCP Server
    C->>S: DHCP Discover
    S-->>C: DHCP Offer
    C->>S: DHCP Request
    S-->>C: DHCP ACK

记忆：DORA

# ICMP

ICMP（Internet Control Message Protocol）用于在 IP 主机和路由器之间传递差错报告和控制信息。

ICMP 封装在 IP 数据报中，但它属于网络层控制协议。

# ICMP 报文类型

两大类：

常见差错报文：

• 终点不可达。
• 源点抑制。
• 时间超过。
• 参数问题。
• 路由重定向。

常见查询报文：

• Echo Request。
• Echo Reply。
• Timestamp Request/Reply。

# ping

ping 使用 ICMP Echo Request 和 Echo Reply 测试目的主机是否可达，并估算 RTT。

# traceroute

traceroute 利用 TTL 逐步递增和 ICMP Time Exceeded 报文发现路径上的路由器。

基本思想：

1. 发送 TTL=1 的分组，第一个路由器丢弃并返回 ICMP 超时报文。
2. 发送 TTL=2 的分组，第二个路由器返回超时报文。
3. 逐步增加 TTL，直到到达目的主机。

# 本节考点

1. 子网划分借主机号作为子网号。
2. CIDR 使用斜线前缀，支持灵活分配和路由聚合。
3. 路由选择使用最长前缀匹配。
4. NAT/NAPT 通过地址和端口转换缓解 IPv4 地址不足。
5. ARP 用 IP 找 MAC，解析的是下一跳 MAC。
6. DHCP 使用 UDP 67/68，四步为 Discover、Offer、Request、ACK。
7. ICMP 用于差错报告和网络诊断，ping 和 traceroute 都依赖 ICMP 机制。