408 · 计算机网络 · 第 4 章 · 分量 ★★★★★

跨过很多个网络，把分组送到目的主机

计网大题的主场。核心就是三件事：地址怎么分（子网与 CIDR）、分组怎么走（路由表与转发）、路由表怎么来（路由协议）。

这一章只要会：

IP 首部字段与分片
子网划分、CIDR、路由聚合
最长前缀匹配与转发过程
ARP、DHCP、ICMP、NAT 各干什么
RIP、OSPF、BGP 对比

一 · 主线

地址怎么分，分组怎么走，路由表怎么来

各种网络格式不一样，怎么连起来 IP 数据报

做法: 所有网络都用统一的 IP 数据报格式。某段链路装不下，就在路由器上分片

每台主机怎么标识子网与 CIDR

分类地址: 网络号长度固定为 8、16、24 位，太浪费
子网划分: 从主机号里借几位当子网号
CIDR: 不再分类，用"/前缀长度"表示网络号有几位，还能把多个网络聚合成一个

路由器拿到分组，往哪发转发

做法: 查路由表，选前缀匹配最长的那一项，交给对应的下一跳

光有 IP 还不够

ARP: 知道 IP，要查出 MAC 才能封帧
DHCP: 主机一开机，自动拿到 IP 地址
ICMP: 出错了要通知源主机
NAT: 地址不够用，多台主机共用一个公网地址

路由表是怎么算出来的路由协议

做法: 自治系统内部用 RIP 或 OSPF，自治系统之间用 BGP

二 · 重点

IP 首部与分片

固定首部 20 B。深色的字段是常考的。

版本4 位

首部长度4 位

区分服务8 位

总长度16 位

标识16 位

标志3 位

片偏移13 位

生存时间 TTL8 位

协议8 位

首部检验和16 位

源 IP 地址32 位

目的 IP 地址32 位

字段	单位	要点
首部长度	4 B	最小值是 5，表示 20 B
总长度	1 B	首部 + 数据的总长
片偏移	8 B	这一片的数据在原数据报里从第几个 8 B 开始
标识	—	同一个数据报的各个分片，标识相同
标志	—	MF = 1 表示后面还有分片；DF = 1 表示不允许分片
TTL	—	每过一个路由器减 1，减到 0 就丢弃，并发 ICMP 超时报文
协议	—	数据部分交给谁：6 是 TCP，17 是 UDP，1 是 ICMP
首部检验和	—	只检验首部。TTL 每跳都变，所以每跳都要重算

单位口诀：一总、八片、首四。总长度 1 B，片偏移 8 B，首部长度 4 B。

例：一个 4000 B 的数据报经过 MTU 为 1500 B 的链路

总长 4000 B = 首部 20 B + 数据 3980 B。每片最多装 1500 − 20 = 1480 B 数据（正好是 8 的倍数）。

分片	数据范围	总长度	片偏移	MF
1	0 ~ 1479	1500	0	1
2	1480 ~ 2959	1500	1480 ÷ 8 = 185	1
3	2960 ~ 3979	1020 + 20 = 1040	2960 ÷ 8 = 370	0

易错：每一片都要带自己的 20 B 首部；除最后一片外，数据长度必须是 8 的倍数；分片可以在路由器上做，但重组只在目的主机做。

三 · 重点

子网、CIDR、路由聚合

所有计算都是同一个动作：把 IP 地址写成二进制，按前缀长度切成"网络部分"和"主机部分"。

例：172.16.84.200/20 属于哪个网络

/20 表示前 20 位是网络号，切在第三个字节的中间 84 = 0101 | 0100 主机位全填 0 → 网络地址 0101 0000 = 80 → 172.16.80.0/20 主机位全填 1 → 广播地址 0101 1111 = 95 → 172.16.95.255 主机位 12 位可分配地址 = 2¹² − 2 = 4094 个子网掩码 255.255.240.0

为什么要减 2

主机号全 0：表示这个网络本身
主机号全 1：表示这个网络的广播地址

这两个地址都不能分给主机。路由器的接口也要占一个地址。

特殊地址

127.x.x.x：环回测试，不会发到网络上
0.0.0.0：本主机还没有地址时用作源地址
255.255.255.255：本网络广播，路由器不转发
私有地址：10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16，上公网要经过 NAT

子网划分

等长：192.168.1.0/24 分成 4 个子网

4 个子网要借 2 位，前缀变成 /26 192.168.1.0/26 192.168.1.64/26 192.168.1.128/26 192.168.1.192/26 每个子网主机位 6 位每个子网 2⁶ − 2 = 62 台

变长：分别要 100、50、20、20 台

先分最大的，每次找够用的最小块 100 台 → 7 位主机 → 192.168.1.0/25 50 台 → 6 位主机 → 192.168.1.128/26 20 台 → 5 位主机 → 192.168.1.192/27 20 台 → 5 位主机 → 192.168.1.224/27

7 位主机可容纳 126 台，6 位 62 台，5 位 30 台。

路由聚合与最长前缀匹配

聚合：找公共前缀

把 172.18.129.0/24、172.18.130.0/24、172.18.132.0/24、172.18.133.0/24 聚合成一条。

前两个字节相同，看第三个字节 129 = 10000001 130 = 10000010 132 = 10000100 133 = 10000101 公共部分 5 位，前缀 = 16 + 5 = 21 聚合结果 172.18.128.0/21

查表：选匹配最长的

目的网络	下一跳
172.16.0.0/16	R1
172.16.8.0/22	R2
172.16.10.0/24	R3
0.0.0.0/0	R4（默认路由）

172.16.10.5 → 三项都匹配，选 /24 → R3 172.16.9.1 → 匹配 /16 和 /22 → R2 172.16.20.1 → 只匹配 /16 → R1 8.8.8.8 → 都不匹配 → R4

四 · 重点

一个分组是怎么走的

大题最常问：分组经过每一段链路时，帧里的 MAC 地址和 IP 地址分别是什么。

主机发送

用自己的子网掩码判断：目的 IP 和我在不在同一个网络
在：用 ARP 查出目的主机的 MAC，直接发给它
不在：用 ARP 查出默认网关的 MAC，发给网关

路由器转发

拆开帧，取出 IP 数据报
TTL 减 1，重算首部检验和
查路由表（最长前缀匹配），得到下一跳
用 ARP 查出下一跳的 MAC，重新封帧发出去

H1 经路由器 R 发给 H2	源 MAC	目的 MAC	源 IP	目的 IP
H1 → R 这一段	H1	R 的入口	H1	H2
R → H2 这一段	R 的出口	H2	H1	H2

IP 地址从头到尾不变，MAC 地址每一段都换。唯一的例外是经过 NAT 时，源 IP 会被换成路由器的公网地址。

五 · 四个配套协议

每个记住"干什么 + 怎么发"

ARP：IP 地址 → MAC 地址

请求是广播，响应是单播
只能在同一个局域网内使用，不能跨路由器
目的主机在别的网络时，ARP 查的是网关的 MAC

DHCP：自动分配 IP 地址

四步：发现 → 提供 → 请求 → 确认
应用层协议，基于 UDP（服务器 67，客户 68）
客户机还没有地址，所以用广播：源 0.0.0.0，目的 255.255.255.255

ICMP：报告差错、探测网络

直接封装在 IP 数据报里（协议字段 = 1）
差错报文：终点不可达、时间超过（TTL 减到 0）、参数问题、改变路由
ping 用的是回送请求和回答；traceroute 靠 TTL 逐次加 1 触发"时间超过"

NAT：私有地址 ↔ 公网地址

NAT 表记录"内网 IP + 端口 ↔ 公网 IP + 端口"
出去时换源地址和源端口，回来时按表换回去
要改端口，所以它同时用到了网络层和传输层的信息

六 · 重点

三个路由协议

	RIP	OSPF	BGP
用在哪	自治系统内部	自治系统内部	自治系统之间
算法	距离向量	链路状态	路径向量
和谁交换	只和相邻路由器	向本区域所有路由器洪泛	相邻自治系统的发言人
交换什么	自己的整张路由表	自己和各个邻居之间的链路状态	到各网络的完整路径
什么时候	每 30 秒一次	链路状态变化时	有变化时
用什么传	UDP	直接用 IP	TCP
特点	以跳数为距离，最多 15 跳，16 表示不可达；好消息传得快，坏消息传得慢	每个路由器都有全网拓扑，用 Dijkstra 算最短路径；收敛快	只求能到达且不兜圈子，不求最优

RIP 怎么更新路由表

收到邻居 X 发来的路由表后，先把每一项的距离加 1、下一跳改成 X，再逐项和自己的表比较：

自己没有这个目的网络 → 添加
有，而且下一跳本来就是 X → 无条件替换（以最新消息为准，哪怕距离变大）
有，下一跳不是 X → 新距离更小才替换

例：路由器 B 收到邻居 C 的路由表

目的网络	B 原来的	C 发来的（加 1 后）	B 更新后	原因
N1	7，经 A	没有	7，经 A	没有新消息
N2	2，经 C	5	5，经 C	下一跳相同，必须更新
N3	没有	9	9，经 C	新的目的网络
N6	8，经 F	5	5，经 C	距离更小
N8	4，经 E	4	4，经 E	距离一样，不换
N9	4，经 F	6	4，经 F	距离更大，不换

七 · 易错速记

选择题直接对表

一总、八片、首四总长度 1 B，片偏移 8 B，首部长度 4 B。

可分配主机数要减 2去掉全 0 的网络地址和全 1 的广播地址。

IP 不变，MAC 每段换经过 NAT 时源 IP 才会变。

ARP 不能跨网络目的在别的网络，帧的目的 MAC 是默认网关的。

分片可以在路上做，重组只在终点做每个分片都有完整的 IP 首部。

检验和只管首部数据部分对不对，由传输层自己检查。

RIP 用 UDP，OSPF 直接用 IP，BGP 用 TCPRIP 和 BGP 在应用层，OSPF 在网络层。

RIP 下一跳相同就无条件更新哪怕新距离更大，因为这是最新的消息。

路由器不转发的分组目的地址是 255.255.255.255 的广播；互联网上的路由器也不转发目的地址是私有地址的分组。

默认路由是 0.0.0.0/0前缀长度为 0，永远能匹配，但优先级最低。

八 · 看一眼就行

这些不用花时间

分类地址：A 类以 0 开头（/8），B 类以 10 开头（/16），C 类以 110 开头（/24），D 类 224 ~ 239 是多播地址
IPv6：地址 128 位，用冒号十六进制表示；首部固定 40 B，没有检验和；路由器不分片，只能由源主机分片；过渡方法是双协议栈和隧道
多播：用 D 类地址，只能做目的地址；主机加入多播组用 IGMP
移动 IP：记三个名词，归属代理、外地代理、转交地址
SDN：把控制平面和数据平面分开，控制器通过南向接口（如 OpenFlow）给路由器下发转发表
路由器的结构：路由选择部分算出路由表，分组转发部分按转发表转发

九 · 自测

先自己做，再点开看

主机 IP 地址是 192.168.5.130/26。它所在网络的网络地址、广播地址、可分配主机数各是多少？

130 = 10 | 000010 网络地址 192.168.5.128 广播地址 192.168.5.191 可分配 2⁶ − 2 = 62 个

一个总长 3020 B（首部 20 B）的数据报，经过 MTU 为 1020 B 的链路。分成几片？每片的片偏移和 MF 是多少？

数据 3000 B，每片最多 1000 B → 3 片 片偏移：0、125、250 MF：1、1、0

把 10.1.8.0/24、10.1.9.0/24、10.1.10.0/24、10.1.11.0/24 聚合成一条路由。

8 = 000010|00，11 = 000010|11，公共 6 位聚合结果 10.1.8.0/22

主机 A 给另一个网络里的主机 B 发数据。A 发出的帧，目的 MAC 地址和目的 IP 地址分别是谁的？

目的 MAC 是默认网关的，目的 IP 是主机 B 的。

RIP：路由器 R 到网络 N 的距离是 5，下一跳是 X。现在收到 X 的通告，说 X 到 N 的距离是 7。R 怎么处理？

下一跳本来就是 X，无条件更新：距离改为 8，下一跳仍是 X。