第 04 章：IP 与路由

这是《计算机网络 零基础实战指南》的独立章节版。本章从概念、实操和生产排查三个视角展开，代码块保留了原书可直接运行的版本。 IP 层负责把包从源主机送到目标主机。它提供全局寻址和路由能力，但不保证可靠、有序和带宽。理解 IP 地址、子网、路由选择、TTL、分片和 IPv6，是定位“连不上”“绕路”“丢包”和“跨可用区延迟”的基础。

4.1 IPv4 地址与子网

IPv4 地址是 32 位：

192.168.1.10

子网掩码可以用点分十进制或前缀长度表示：

192.168.1.10/24
255.255.255.0

/24 表示前 24 位是网络前缀，后 8 位是主机部分。

特殊地址：

查看地址：

ip addr show
ip -brief addr

4.2 公网、私网与地址规划

公网地址可全球路由，私网地址只在内部网络使用，通常经过 NAT 访问公网。

规划示例：

10.0.0.0/16      生产 VPC
10.0.0.0/20      公共子网
10.0.16.0/20     应用子网
10.0.32.0/20     数据子网
10.0.48.0/20     运维子网

原则：

1. 预留扩展空间；
2. 按环境和用途分层；
3. 避免不同 VPC 或数据中心重复网段；
4. 数据库子网不放公网网关；
5. 负载均衡、应用、数据库分层管理；
6. 记录每个网段的用途。

4.3 路由表

路由器根据最长前缀匹配选择路由。

示例：

Destination     Next Hop       Interface
0.0.0.0/0       10.0.0.1      eth0
10.0.0.0/16     10.0.0.1      eth0
10.20.0.0/16    10.20.0.1     eth1
172.17.0.0/16   docker0       docker0

查看：

ip route
ip route get 10.20.1.10
route -n

路由选择过程：

1. 取目的 IP；
2. 查找所有匹配路由；
3. 选择前缀最长的路由；
4. 确定下一跳和出接口；
5. 通过 ARP 或邻居发现得到下一跳 MAC；
6. 封装并发送帧。

4.4 默认网关与策略路由

默认路由：

ip route add default via 192.168.1.1 dev eth0

策略路由可以根据源地址、入口接口或标记选择不同表：

ip rule show
ip route show table 100

常见场景：

1. 多网卡分别访问不同运营商；
2. 容器或虚拟机流量走独立表；
3. VPN 与默认路由冲突；
4. 云环境多路由表关联不同子网；
5. 服务流量与存储流量分走不同路径。

4.5 TTL 与 traceroute

IP 包每经过一台路由器，TTL 减 1。TTL 为 0 时路由器丢弃并返回 ICMP Time Exceeded。

traceroute 利用该机制探测路径：

traceroute 10.20.1.10
traceroute -I 10.20.1.10
traceroute -T -p 443 10.20.1.10
mtr 10.20.1.10

解读：

1. 某跳 * * * 不一定代表故障，可能限速 ICMP；
2. 后续跳全部超时更值得关注；
3. 延迟逐跳上升且持续，可能路径异常；
4. 中间跳丢包但终点不丢，可能只是控制平面限速；
5. 最好用 mtr 观察趋势。

4.6 IP 分片与 PMTUD

如果 IP 包大于出接口 MTU，且不可分片标志存在，则返回 ICMP Fragmentation Needed；否则进行分片。

TCP 通常在握手阶段协商 MSS，避免 IP 分片：

MTU 1500
IP Header 20
TCP Header 20
MSS 1460

隧道叠加会降低有效 MTU：

物理 MTU 1500
VXLAN + Overlay IP + UDP + VXLAN Header
有效载荷减少

典型现象：

1. ping 小包通；
2. TCP 握手成功；
3. 大请求或响应卡住；
4. SSL 握手在证书阶段失败；
5. MSS 或 PMTUD 问题。

测试：

ping -M do -s 1472 10.20.1.10
tracepath 10.20.1.10

云环境和容器网络中应统一检查宿主机、虚拟网络、隧道和安全设备的 MTU。

4.7 IPv6

IPv6 地址为 128 位：

2001:db8:1:2::1/64

特点：

1. 地址空间大；
2. SLAAC 支持无状态自动配置；
3. NDP 替代 ARP；
4. 地址结构常为 /64 子网；
5. 内置 IPsec 支持但不是自动启用；
6. NAT 不是必需设计。

常用命令：

ip -6 addr
ip -6 route
ping -6 2001:db8::1
traceroute -6 2001:db8::1

应用兼容要点：

1. socket API 使用 AF_INET6 或双栈；
2. URL 中 IPv6 需要方括号；
3. DNS 需要同时考虑 A 和 AAAA；
4. 防火墙必须显式治理 IPv6；
5. 监控和审计不能只统计 IPv4。

4.8 路由协议概览

生产应用通常不直接配置这些协议，但需要理解云 VPC 路由表、专线、对等连接和负载均衡路径可能受它们影响。

4.9 排障流程

连不上目标时：

ip addr
ip route
ping <gateway>
ping <target>
traceroute <target>
ip route get <target>
ss -ntp

判断顺序：

1. 本机地址是否正确；
2. 链路是否 up；
3. 网关是否可达；
4. 路由是否指向预期接口；
5. 目标是否在线；
6. 中间路径哪里断开；
7. 安全组或防火墙是否拦截；
8. 服务是否监听端口。

本章小结

IP 层提供寻址和路由，子网决定本地与跨网段通信方式，路由表通过最长前缀匹配选择路径。TTL 支持 traceroute，MTU 和 MSS 影响大包传输，IPv6 引入更大地址空间和 NDP。排查连接问题应先看本机地址与路由，再测试网关、路径、端口和安全策略。

思考题

1. 为什么路由匹配使用最长前缀而不是最先匹配？
2. TTL 如何支持 traceroute？
3. TCP 握手成功但大文件传输卡住，可能与什么有关？
4. IPv6 环境下 ARP 由什么协议替代？
5. 为一个三可用区 VPC 设计 IP 和路由规划。