計算機網絡：（八）網絡層（中）IP層轉發分組的過程與網際控制報文協議 ICMP

前言
一、IP層轉發分組的過程
- 第一步：接收數據包并解封裝
- 第二步：提取目標 IP 地址
- 第三步：查詢路由表
- 第四步：封裝并轉發至下一跳
- 第五步：逐跳轉發直至目標
二、劃分子網和構造超網
- 2.1 劃分子網
- 2.2 使用子網時分組的轉發
- 2.3 無分類編址 CIDR（構造超網）
三、網際控制報文協議 ICMP
- 3.1 ICMP 是什么？
- 3.2 ICMP 報文的種類
- 3.3 ICMP 的應用舉例
- 3.4 總結

前言

前面我們已經講解了網絡層的重要概念及網際協議（IP）；
接下來，我們繼續講解 IP 層的分組轉發過程與網際控制報文協議（ICMP）

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一、IP層轉發分組的過程

在這里插入圖片描述

第一步：接收數據包并解封裝

當一個數據包（分組）到達路由器時，就像快遞送到了分揀中心。
路由器首先會拆開最外層的 “包裝”（也就是數據鏈路層的頭部），露出里面的 IP 地址信息 —— 這就像看清了快遞單上的收件人地址。?

第二步：提取目標 IP 地址

路由器會重點盯著數據包里的 “目標 IP 地址”，就像分揀員看快遞單上的收件城市。

比如目標 IP 是 “192.168.1.100”，路由器要解決的問題是：“這個地址該往哪個方向送？”?

第三步：查詢路由表

在這里插入圖片描述

路由器里有一張 “路由表”，相當于一本 “全國快遞網點對照表”
表里記錄著不同 IP 地址段對應的 “最近中轉站”（專業叫 “下一跳”）。

比如表中可能寫著 “所有以 192.168.1 開頭的地址，都先送到隔壁的 10.0.0.1 路由器”。?

如果目標 IP 在表里能找到精確匹配的記錄，路由器就直接按記錄走；如果沒找到精確匹配，就找 “最像的”（比如同一網段的模糊匹配）；

要是實在沒頭緒，就會送到 “默認中轉站”（相當于寄往陌生城市時先送到省會分揀中心）。?

第四步：封裝并轉發至下一跳

確定好下一跳后，路由器會給數據包重新打包 —— 加上新的 “數據鏈路層頭部”（就像給快遞換一個寫著下一中轉站地址的面單），然后通過對應的網線或無線信號發送出去。?

第五步：逐跳轉發直至目標

這個過程會在每個途經的路由器上重復：接收、看目標 IP、查路由表、送往下一站。
就像快遞從市級分揀中心到區級網點，再到小區驛站，最終送到收件人手里。?

簡單說，IP 層轉發分組的核心就是：“看地址→查路線→找下家→送出去”。正是這一步步的接力，才讓我們發的消息、刷的視頻能準確傳到目的地

二、劃分子網和構造超網

2.1 劃分子網

為什么需要子網劃分？

早期的IP地址（如A、B、C類）是固定大小的，比如C類網絡包含254個主機地址。
但實際中，很多網絡不需要這么多地址，直接使用會導致地址浪費。
例如，一個公司有100臺電腦，直接分配一個C類網絡（254個地址）就會浪費154個地址。
子網劃分的核心思想：將一個大網絡拆分成多個小網絡（子網），每個子網的大小可以根據需求靈活調整。

如何劃分子網？

子網掩碼的作用：子網掩碼是一個32位的二進制數，其中連續的1代表網絡部分，0代表主機部分。例如，C類網絡的默認子網掩碼是255.255.255.0（即/24），表示前24位是網絡部分，后8位是主機部分。
借位操作：從主機部分“借”若干位作為子網號。例如，一個C類網絡192.168.1.0/24，如果借2位主機位，子網掩碼變為255.255.255.192（即/26），可劃分出4個子網，每個子網有62個可用主機地址（2?-2=62）。
計算方法：
- 子網數 = 2^借位數
- 每個子網的主機數 = 2^(剩余主機位數) - 2（減去網絡地址和廣播地址）

例子：
某公司需要劃分3個子網，每個子網最多39臺主機。選擇C類網絡192.168.1.0/24，借2位主機位：

子網數 = 22=4（滿足需求）
每個子網主機數 = 2?-2=62（滿足39臺）
子網掩碼變為255.255.255.192（即/26）
子網范圍：
- 第一個子網：192.168.1.0/26（可用地址：192.168.1.1~192.168.1.62）
- 第二個子網：192.168.1.64/26（可用地址：192.168.1.65~192.168.1.126）
- 依此類推。

2.2 使用子網時分組的轉發

路由器如何找到目標子網？
當數據包到達路由器時，路由器會執行以下步驟：

提取目的IP地址：例如，目的IP是192.168.1.100，子網掩碼是255.255.255.192（即/26）。
計算網絡地址：將IP地址和子網掩碼進行邏輯與運算：
- 192.168.1.100 → 11000000.10101000.00000001.01100100
- 255.255.255.192 → 11111111.11111111.11111111.11000000
- 與運算結果：11000000.10101000.00000001.01000000 → 192.168.1.64/26，即該IP屬于192.168.1.64/26子網。
查找路由表：路由器根據計算出的網絡地址，在路由表中找到對應的下一跳地址，將數據包轉發到目標子網。

轉發表結構：
路由器的轉發表通常包含以下信息：

網絡地址：子網的網絡地址（如192.168.1.0/24）。
子網掩碼：用于匹配IP地址的掩碼（如255.255.255.0）。
下一跳地址：數據包應轉發到的下一個路由器或直接連接的設備。

例子：
假設有兩個子網192.168.1.0/26和192.168.1.64/26，路由器收到一個目的IP為192.168.1.100的數據包。通過與運算確定其屬于192.168.1.64/26子網，路由器將數據包轉發到該子網的網關。

2.3 無分類編址 CIDR（構造超網）

CIDR的背景：
傳統的A、B、C類地址和子網劃分仍存在地址浪費和路由表膨脹的問題。例如，一個需要4000臺主機的網絡，若分配16個C類網絡（每個254臺），路由器需要維護16條路由條目。CIDR通過聚合地址塊解決這一問題。
在這里插入圖片描述

CIDR的核心思想：

取消分類地址：不再固定網絡位和主機位的長度，而是用斜線記法（如192.168.0.0/22）表示網絡前綴的長度。
構造超網：將多個連續的小網絡合并成一個大網絡（超網），減少路由表條目。

如何構造超網？

連續地址塊：待合并的網絡必須是連續的。例如，192.168.0.0/24、192.168.1.0/24、192.168.2.0/24、192.168.3.0/24這四個C類網絡是連續的。
合并規則：將子網掩碼向左移動（減少網絡位），直到所有網絡的前綴相同。例如，這四個C類網絡的二進制前綴如下：
- 192.168.0.0 → 11000000.10101000.00000000.00000000
- 192.168.1.0 → 11000000.10101000.00000001.00000000
- 192.168.2.0 → 11000000.10101000.00000010.00000000
- 192.168.3.0 → 11000000.10101000.00000011.00000000
  前22位相同，因此合并后的超網為192.168.0.0/22，子網掩碼為255.255.252.0。
地址范圍：超網包含的地址范圍是192.168.0.0到192.168.3.255，共1024個地址（21?）。

CIDR的優勢：

減少路由表條目：例如，16個C類網絡合并成一個超網后，路由表只需一條記錄。
靈活分配地址：可根據實際需求分配任意大小的地址塊，減少浪費。

三、網際控制報文協議 ICMP

3.1 ICMP 是什么？

ICMP（Internet Control Message Protocol）是網絡層的“交通警察”，負責在 IP 主機、路由器之間傳遞控制消息。它的核心作用是報告網絡錯誤和診斷網絡狀態，例如：

當你訪問網站失敗時，ICMP 會告訴你“目標不可達”；
當網絡擁堵導致數據包丟失時，ICMP 會提醒發送方降低速率。

ICMP 報文被封裝在 IP 數據包中傳輸，就像快遞里的“附言紙條”，專門傳遞與運輸過程相關的反饋信息。
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3.2 ICMP 報文的種類

ICMP 報文分為兩大類：差錯報告報文和查詢報文。

一、差錯報告報文（報告問題）
這類報文用于通知發送方數據傳輸中出現的問題，常見類型包括：

目的不可達（Type 3）
- 當路由器或主機無法將數據包送達目標時，會發送此報文。例如：
  - 網絡不可達：目標網絡不存在或路由配置錯誤；
  - 主機不可達：目標 IP 對應的設備未開機或未聯網；
  - 端口不可達：目標端口被防火墻屏蔽（常見于 UDP 應用）。
- 例子：你用手機訪問某 APP 時，若服務器端口被封禁，手機會收到“端口不可達”的 ICMP 報文。
超時（Type 11）
- 當數據包的生存時間（TTL）耗盡（如路由環路導致數據包無限循環），或分片重組超時（數據包分片未按時到達）時，路由器會發送此報文。
- 例子：如果網絡中存在環路，數據包在路由器之間來回轉發，TTL 減為 0 后會觸發超時報文。
參數問題（Type 12）
- 當 IP 頭部字段錯誤（如錯誤的協議字段）時，路由器或主機丟棄數據包并發送此報文。
重定向（Type 5）
- 路由器發現源主機選擇的路由路徑不是最優時，會發送此報文，指導主機使用更優路徑。
- 例子：當你連接到 Wi-Fi 時，路由器可能通過重定向報文告訴你下次應直接訪問網關。

二、查詢報文（主動詢問）
這類報文用于主動獲取網絡信息，常見類型包括：

回顯請求/應答（Type 8/0）
- 回顯請求：主機或路由器向目標發送詢問，測試對方是否可達；
- 回顯應答：目標收到請求后返回應答，確認自己存活。
- 例子：ping 命令就是基于此報文，通過發送回顯請求并接收應答，判斷網絡連通性。
時間戳請求/應答（Type 13/14）
- 用于測量網絡往返時間（RTT），同步主機時鐘。發送方記錄發送時間，接收方記錄接收和返回時間，通過計算差值評估網絡延遲。
地址掩碼請求/應答（Type 17/18）
- 主機可通過此報文向路由器查詢子網掩碼，動態獲取網絡配置信息。

3.3 ICMP 的應用舉例

ICMP 是網絡診斷的核心工具，以下是兩個最典型的應用：
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一、Ping：測試網絡連通性

原理：發送 ICMP 回顯請求報文，等待目標返回回顯應答。
流程：
1. 你在電腦上輸入 ping www.baidu.com，電腦會發送一個 ICMP 回顯請求；
2. 百度服務器收到后返回回顯應答；
3. 若收到應答，說明網絡連通，反之則可能存在故障（如防火墻攔截或線路中斷）。
輸出解讀：
- Reply from X.X.X.X: bytes=32 time<1ms TTL=64：連通正常，延遲低；
- Request timed out：無響應，可能目標不可達或被過濾。

二、Traceroute（Windows 中為 Tracert）：追蹤網絡路徑

原理：發送一系列 TTL 遞增的數據包，利用 ICMP 超時報文和端口不可達報文，確定數據包經過的路由器路徑。
流程：
1. 第一個數據包 TTL=1，到達第一個路由器時 TTL 減為 0，路由器返回超時報文，記錄其 IP；
2. 第二個數據包 TTL=2，到達第二個路由器時 TTL 減為 0，返回超時報文，記錄第二個 IP；
3. 重復此過程，直到數據包到達目標主機。若目標主機端口未開放，會返回端口不可達報文，流程終止。

例子：

Tracing route to www.baidu.com [180.97.33.107]  
over a maximum of 30 hops:  
1    1 ms    1 ms    1 ms  192.168.1.1  
2    3 ms    2 ms    2 ms  10.0.0.1  
...  
10   12 ms   10 ms   11 ms  180.97.33.107

輸出顯示數據包經過的路由器 IP 及延遲，幫助定位網絡故障點。

3.4 總結

ICMP 的作用：
- 差錯報告：如“目標不可達”“超時”，幫助排查網絡錯誤；
- 查詢診斷：如 ping 和 traceroute，測試連通性和路徑追蹤。
重要性：
ICMP 是網絡的“神經系統”，雖然它不直接傳輸數據，但通過反饋控制信息，確保了 IP 協議的高效運行。掌握 ICMP 的原理和工具（如 ping），是網絡運維和故障排查的基礎技能。

通過 ICMP，我們能像“網絡醫生”一樣，快速定位網絡問題，讓數據傳輸更加可靠。

以上就是本篇博客的全部內容，下一篇繼續進入網絡層的學習。

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