网络基础与子网划分

本文合并自：06-网络基础-子网划分-路由-网关.md、03-网络基础.md

本文覆盖计算机网络基本概念、OSI 七层与 TCP/IP 四层模型、常见协议、IPv4/IPv6 地址分类与格式、子网掩码与子网划分计算、路由概念、默认网关、route/ip route 命令与静态路由、网络分层排错思路及练习题。

本章要点

  • 理解网络的组成与分类（LAN/MAN/WAN）、常见拓扑结构、传输介质与网线制作标准（568A/568B）。
  • 分清交换机与路由器的职责差异，理解单播、广播、组播三种通信方式。
  • 掌握 OSI 七层模型与 TCP/IP 四层模型的对应关系、各层协议与设备、数据封装与解封装过程。
  • 掌握 IP、ICMP、ARP、TCP、UDP 等常见协议的作用，理解 TCP 三次握手与四次挥手，能解释 TIME_WAIT/CLOSE_WAIT。
  • 理解 IPv4 地址的分类（A/B/C/D/E）、特殊地址、三个私网网段，了解 IPv6 表示方法。
  • 理解子网掩码如何通过二进制"与运算"确定网络号，掌握网络号、广播地址、可用主机数的计算。
  • 掌握子网划分的完整计算步骤，会做 VLSM 变长子网与超网聚合，熟记常用掩码速查表。
  • 掌握两节点能通信的三个条件与上网三要素：IP、Gateway、DNS。
  • 掌握默认网关的作用、路由表解读、静态路由增删、最长前缀匹配、ip_forward 与 NAT 概念。
  • 熟练使用分层排查法与 ping/traceroute/mtr/telnet/nc/ss/netstat/tcpdump 定位网络故障。

一、网络基础概念

1.1 什么是网络

网络是通过网线或无线网络将多个设备连接在一起，使数据可以通过网络介质传输的一种方式。

要连接到网络，至少需要满足两个条件：

  1. 网络适配器（网卡）。
  2. 网络服务提供商提供的账号密码。

从组成上看，一个可用的网络包含以下要素：

组成要素 说明
主机（节点） 计算机、服务器、手机、打印机等终端设备，通过网卡接入网络
传输介质 双绞线、光纤、同轴电缆或无线电波，负责承载信号
网络设备 网卡、集线器、交换机、路由器、防火墙等，负责转发与控制流量
网络协议 TCP/IP 协议族等规则集合，规定数据格式、寻址与差错处理方式
网络服务 Web、DNS、DHCP、FTP、NFS 等对外提供的应用能力

1.2 网络类型

目前最成功的两种网络类型：

类型 说明
Ethernet（以太网） 局域网技术
Internet（因特网） 全球互联网络

1.3 按覆盖范围分类

分类 缩写 覆盖范围
局域网 LAN 短距离资源共享
城域网 MAN 介于局域网和广域网之间
广域网 WAN 覆盖一个城市、一个国家甚至全球

三者的进一步对比：

对比项 LAN（局域网） MAN（城域网） WAN（广域网）
典型范围 一间机房、一栋楼、一个园区（几十米到几千米） 一个城市（几公里到几十公里） 跨城市、跨国家，直至全球
典型速率 高（1Gbps ~ 100Gbps） 较高 相对较低，受运营商链路限制
典型技术 以太网、Wi-Fi 城域以太网、MPLS 专线、MPLS VPN、Internet
归属 通常由单位自建自管 运营商或大型单位 运营商（电信、联通、移动等）
延迟 微秒到毫秒级 毫秒级 几十到几百毫秒

1.4 常见拓扑结构

拓扑结构描述网络中节点与链路的连接形式：

拓扑 结构说明 优点 缺点
总线型 所有节点挂在一根共享的主干电缆上（早期同轴以太网） 布线省、成本低 冲突多，主干断则全网瘫痪，故障定位困难
星型 所有节点连到中心设备（交换机） 结构清晰、单点故障不影响其他节点、易扩展 中心设备故障则该网段瘫痪
环型 节点首尾相连成环，数据沿环单向传递（如 Token Ring、FDDI） 传输时延确定 任一节点或链路故障影响整环，扩展不便
树型（分层） 星型的层级扩展：核心层—汇聚层—接入层 便于分区管理，适合大规模园区网 上层设备故障影响面大
网状 节点之间存在多条冗余链路（骨干网常用） 冗余度高、可靠性最好 布线与设备成本高，配置复杂
混合型 上述几种组合，实际生产环境最常见 兼顾成本与可靠性 规划设计要求高

数据中心内部通常采用"接入—汇聚—核心"三层树型结构，或叶脊（Spine-Leaf）网状结构。

1.5 传输介质与网线制作标准

常见传输介质：

介质 说明 典型距离
双绞线（Twisted Pair） 最常用的局域网介质，分屏蔽（STP）与非屏蔽（UTP）；按性能分 Cat5、Cat5e、Cat6、Cat6a、Cat7 等 单段不超过 100 米
同轴电缆 早期总线以太网使用，现多用于有线电视、监控 几百米
光纤 抗干扰、带宽高、距离远；单模（长距离）与多模（短距离） 多模数百米，单模数十公里
无线电波 Wi-Fi、4G/5G、蓝牙等无线接入 视功率与频段而定

双绞线共 8 根芯（4 对），按颜色分为：橙白、橙、绿白、绿、蓝白、蓝、棕白、棕。

T568B 线序（最常用）：

1 橙白    2 橙    3 绿白    4 蓝    5 蓝白    6 绿    7 棕白    8 棕

T568A 线序：

1 绿白    2 绿    3 橙白    4 蓝    5 蓝白    6 橙    7 棕白    8 棕

由此产生两种网线：

网线类型 两端线序 用途
直通线（正线） 两端都用 568B（或两端都用 568A） 连接不同类型设备：电脑 ↔ 交换机、交换机 ↔ 路由器
交叉线（反线） 一端 568A，另一端 568B 连接同类型设备：电脑 ↔ 电脑、交换机 ↔ 交换机（老设备）

说明：

  • 百兆以太网（100BASE-TX）实际只用到 1、2、3、6 四根芯，其中 1、2 发送，3、6 接收；千兆以太网（1000BASE-T）8 根芯全部使用，因此千兆网线必须 8 芯全通。
  • 现代交换机与网卡普遍支持 Auto-MDI/MDIX 自动翻转，直通线也能连接同类设备，但考试与规范场合仍需掌握两种线序。
  • 网线制作步骤：剥皮 → 按线序理线排齐 → 剪平（保留约 14mm）→ 插入水晶头（RJ45）确认 8 根芯到底 → 压线钳压实 → 用网线测试仪测通（1~8 灯依次对应点亮）。

1.6 交换机与路由器的区别

概念 说明
点播（单播） 点对点通信
广播 访问范围是整个局域网
组播（多播） 在一个广播域（局域网）内，有相同组播地址的主机在同一个组
交换机 同网段互相访问，不隔离广播
路由器 可跨网段路由（跨网段访问），隔离广播

网络通信的类型（细化说明）：

  • 点对点（单播）：平常大多数网络行为都是点对点，例如发邮件、从 HTTP 下载文件、从 DNS 服务器获取域名解析。
  • 组播（点对多点）：用于视频会议、集群等场景。
  • 广播（点对多点）：例如 DHCP 获取地址、ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）。

交换机与路由器对照表：

对比项 交换机（Switch） 路由器（Router）
工作层次 二层（数据链路层），三层交换机可做三层转发 三层（网络层）
转发依据 MAC 地址表 路由表（目标 IP 网段）
地址类型 MAC 地址 IP 地址
广播域 不隔离广播，一台交换机默认是一个广播域（可用 VLAN 划分） 隔离广播，每个接口是一个广播域
冲突域 每个端口一个冲突域（全双工无冲突） 每个接口一个冲突域
典型用途 局域网内主机互联，同网段高速转发 连接不同网段/不同网络，实现跨网段通信、NAT、上网出口
端口数量 多（24、48 口常见） 少（几个到十几个）

补充设备：

  • 集线器（Hub）：一层设备，简单复制信号到所有端口，所有端口共享带宽，处于同一冲突域，已被交换机淘汰。
  • 网桥（Bridge）：二层设备，交换机的前身，端口少。
  • 防火墙：多在三层及以上工作，按策略过滤流量。
  • 三层交换机：具备路由能力的交换机，常用于园区网核心，转发性能高于传统路由器，但 WAN 接口与 NAT 能力弱。

1.7 两节点能通信的条件

  1. 物理上连通：线缆符合规格，交换机加电。
  2. 有正确的路由：知道到达目的地的路。
  3. 有通信的权限：防火墙等策略允许通行。

排错时按这三个条件依次验证，可以快速缩小问题范围。

二、OSI 七层模型与 TCP/IP 四层模型

2.1 网络协议分层模型总览

OSI 七层模型：

层级 名称
第七层 应用层
第六层 表示层
第五层 会话层
第四层 传输层
第三层 网络层
第二层 数据链路层
第一层 物理层

TCP/IP 四层模型：

层级 名称
第四层 应用层
第三层 传输层
第二层 网络层
第一层 网络接口层

分层的意义：把复杂的通信过程拆分为若干相对独立的层次，每层只负责自己的职责并为上层提供服务；下层实现改变时不影响上层，便于标准化、排错与开发。

2.2 OSI 各层职责、协议与设备

层级 名称 核心职责 典型协议/标准 典型设备 数据单元（PDU）
7 应用层 直接为用户进程提供网络服务接口 HTTP、HTTPS、FTP、SSH、Telnet、SMTP、POP3、IMAP、DNS、DHCP、SNMP、NFS 主机应用程序、应用层网关 数据（Data）/ 报文
6 表示层 数据格式转换、编码解码、加密解密、压缩 ASCII、Unicode、JPEG、MPEG、SSL/TLS（跨 5/6 层） — 数据
5 会话层 建立、管理、终止会话，进行会话同步与校验点 RPC、NetBIOS、SQL 会话 — 数据
4 传输层 端到端可靠/不可靠传输、分段与重组、流量控制、差错恢复、端口寻址 TCP、UDP、SCTP 防火墙（四层）、四层负载均衡（LVS） 段（Segment，TCP）/ 数据报（Datagram，UDP）
3 网络层 逻辑寻址（IP）、路由选择、分片与重组 IP、ICMP、IGMP、ARP（介于 2/3 层）、路由协议 RIP/OSPF/BGP 路由器、三层交换机 包（Packet）/ 数据报
2 数据链路层 物理寻址（MAC）、成帧、差错检测（CRC）、介质访问控制 Ethernet（IEEE 802.3）、PPP、HDLC、VLAN(802.1Q)、STP、Wi-Fi(802.11) 交换机、网桥、网卡 帧（Frame）
1 物理层 在介质上传输比特流，规定电气、机械、时序特性 RS-232、RJ45、IEEE 802.3 物理规范、光纤规范 网线、光纤、中继器、集线器、收发器 位（Bit）/ 比特流

记忆口诀（自下而上）：物、链、网、传、会、表、应；即"物流网传会表演"。

2.3 TCP/IP 四层模型与 OSI 的对应关系

TCP/IP 四层 对应 OSI 层 主要协议
应用层 应用层 + 表示层 + 会话层 HTTP、HTTPS、FTP、SSH、DNS、DHCP、SMTP、NFS
传输层 传输层 TCP、UDP
网络层（互联网层） 网络层 IP、ICMP、IGMP、ARP
网络接口层（链路层） 数据链路层 + 物理层 Ethernet、PPP、Wi-Fi、驱动与网卡

也有教材使用 TCP/IP 五层模型（把网络接口层再拆为数据链路层与物理层），本质与四层一致。

2.4 数据封装与解封装

PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）：每一层在处理数据时形成的数据格式统称。上层数据到达本层后，本层会给它加上自己的头部（有的层还加尾部），形成本层的 PDU 再交给下层，这个过程叫封装（Encapsulation）；接收方由下向上逐层剥掉头部，叫解封装（De-encapsulation）。

发送方封装过程（自上而下）：

应用层    :                          [ 用户数据 Data ]
传输层    :              [ TCP/UDP 头 |  用户数据  ]        => 段 Segment
网络层    :      [ IP 头 | TCP 头 |  用户数据  ]            => 包 Packet
数据链路层: [ 以太网帧头 | IP 头 | TCP 头 | 数据 | FCS 帧尾 ] => 帧 Frame
物理层    : 1010110001110101...                             => 比特流 Bit

接收方解封装过程（自下而上）：

物理层     : 接收比特流，还原为帧
数据链路层 : 校验 FCS，检查目的 MAC 是否为本机 -> 剥掉帧头帧尾，上交 IP 包
网络层     : 检查目的 IP 是否为本机，按协议号(6=TCP,17=UDP,1=ICMP)上交 -> 剥掉 IP 头
传输层     : 按目的端口号找到对应进程/套接字 -> 剥掉 TCP/UDP 头
应用层     : 交给应用程序处理原始数据

关键字段与"多路复用"的对应关系：

层 头部关键字段 作用
数据链路层 源/目的 MAC、类型字段（0x0800=IPv4、0x0806=ARP、0x86DD=IPv6）、FCS 同网段寻址与差错检测
网络层 源/目的 IP、TTL、协议号、标识/标志/片偏移 跨网段寻址、防环、分片重组
传输层 源/目的端口、序号、确认号、标志位、窗口 找到具体进程、可靠传输与流控

补充概念：

  • MTU（Maximum Transmission Unit）：链路层一次能承载的最大数据字节数，以太网默认 1500。IP 包超过 MTU 时会分片；ping -M do -s <size> 可用于探测路径 MTU。
  • MSS（Maximum Segment Size）：TCP 单个段能携带的最大数据量，以太网上通常为 1500 - 20(IP) - 20(TCP) = 1460。
  • 数据传输的实际路径：源主机自上而下封装 → 经交换机（二层转发，帧头改写发生在路由器处）→ 路由器逐跳解封装到三层、查路由表、重新封装新帧头 → 目的主机自下而上解封装。整个过程中源/目的 IP 通常不变（NAT 除外），而源/目的 MAC 每经过一台三层设备都会改变。

三、常见协议

3.1 IP 协议

  • 位于网络层，提供无连接、不可靠、尽最大努力交付的分组传送服务，可靠性由上层 TCP 保证。
  • 负责逻辑寻址（IP 地址）与路由转发；IPv4 头部固定 20 字节（不含选项）。
  • 关键字段：版本、首部长度、TOS/DSCP（服务质量）、总长度、标识/标志/片偏移（分片重组）、TTL（每经一台路由器减 1，减到 0 丢弃并回送 ICMP 超时，用于防止环路）、协议号、首部校验和、源 IP、目的 IP。
  • 常见协议号：1=ICMP，2=IGMP，6=TCP，17=UDP，89=OSPF。

3.2 ICMP 协议

ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议）用于传递差错报告与控制信息，工作在网络层，不使用端口号。

类型/代码 报文 用途
Type 8 Echo Request ping 发出的请求
Type 0 Echo Reply ping 的应答
Type 3 Destination Unreachable 目标不可达（代码 0=网络不可达、1=主机不可达、3=端口不可达、4=需分片但设置了 DF）
Type 11 Time Exceeded TTL 超时，traceroute 依赖此报文
Type 5 Redirect 路由重定向，提示更优网关

常用命令：

ping -c 4 192.168.1.1        # 发 4 个 ICMP 请求
ping -c 3 www.baidu.com      # 同时验证 DNS 与外网连通性
ping -s 1472 -M do 8.8.8.8   # 探测 MTU（1472+28=1500）

注意：许多服务器和防火墙会禁用 ICMP，ping 不通不能直接断定主机宕机，应结合 telnet/nc 测端口。

3.3 ARP 协议与 ARP 缓存

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）用于由已知的 IP 地址查询对应的 MAC 地址，工作在数据链路层与网络层之间，只在同一广播域内有效。

工作流程：

  1. 主机 A 要发数据给同网段的 B（192.168.1.20），先查本机 ARP 缓存。
  2. 缓存中没有，则发送 ARP 请求广播：目的 MAC 为 ff:ff:ff:ff:ff:ff，内容是"谁是 192.168.1.20，请告诉 192.168.1.10"。
  3. 网段内所有主机都收到，只有 B 发现问的是自己，用单播 ARP 应答回复自己的 MAC。
  4. A 把 IP -> MAC 的对应关系写入 ARP 缓存（有老化时间，Linux 默认约 60 秒基础老化，达到 gc_thresh 时清理），随后正常通信。
  5. 若目标不在同网段，A 会请求网关的 MAC，把帧发给网关，由网关继续转发。

相关命令：

arp -n                       # 查看 ARP 缓存（传统命令）
ip neigh show                # 查看邻居表（推荐）
ip neigh show dev eth0
arp -d 192.168.1.20          # 删除某条 ARP 缓存
ip neigh del 192.168.1.20 dev eth0
arp -s 192.168.1.20 00:0c:29:11:22:33   # 添加静态 ARP 绑定（防 ARP 欺骗）
arping -I eth0 192.168.1.20  # 直接发送 ARP 请求探测

ip neigh 状态含义：REACHABLE（可达）、STALE（陈旧待验证）、DELAY/PROBE（探测中）、FAILED（解析失败，常见于目标不存在）、PERMANENT（静态）。

派生概念：

  • 免费 ARP（Gratuitous ARP）：主机主动广播自己的 IP-MAC 对应关系，用于检测 IP 冲突、以及 keepalived/VIP 漂移后刷新交换机与主机的 ARP 缓存。
  • 代理 ARP（Proxy ARP）：路由器代替其他网段的主机应答 ARP。
  • ARP 欺骗：攻击者伪造 ARP 应答，把网关 IP 对应到自己的 MAC，实现中间人攻击；防护手段包括静态绑定、交换机端口安全、DHCP Snooping + DAI。
  • RARP：由 MAC 反查 IP，早期无盘工作站使用，已被 DHCP 取代。

3.4 TCP 协议

TCP（Transmission Control Protocol）是面向连接、可靠、基于字节流的传输层协议。

可靠性机制：序号与确认（ACK）、超时重传、快速重传、滑动窗口流量控制、拥塞控制（慢启动、拥塞避免、快恢复）、校验和、按序交付与去重。

TCP 头部关键标志位：

标志 含义
SYN 请求建立连接，同步序号
ACK 确认号有效
FIN 数据发送完毕，请求关闭连接
RST 复位连接（对方端口未监听或连接异常时返回）
PSH 尽快把数据推给应用层
URG 紧急指针有效

3.4.1 三次握手（建立连接）

客户端                                          服务端
  |                                               | (LISTEN)
  |----- 1. SYN, seq=x ------------------------->| 
  |                                               | (SYN_RECV)
  |<---- 2. SYN+ACK, seq=y, ack=x+1 -------------|
  | (SYN_SENT -> ESTABLISHED)                     |
  |----- 3. ACK, seq=x+1, ack=y+1 -------------->|
  |                                               | (ESTABLISHED)
  1. 客户端发送 SYN，携带初始序号 seq=x，进入 SYN_SENT。
  2. 服务端回应 SYN+ACK，自己的序号 seq=y，确认号 ack=x+1，进入 SYN_RECV（半连接，存放于半连接队列）。
  3. 客户端回 ACK，ack=y+1，双方进入 ESTABLISHED，连接建立，可以传数据。

为什么是三次而不是两次：两次握手无法让服务端确认客户端确实收到了自己的 SYN+ACK，也无法防止历史失效的 SYN 造成服务端白白建立连接、浪费资源。

相关运维知识：SYN Flood 攻击就是大量伪造源 IP 的 SYN 塞满半连接队列，缓解手段是开启 net.ipv4.tcp_syncookies=1、增大 tcp_max_syn_backlog、缩小 tcp_synack_retries。

3.4.2 四次挥手（断开连接）

主动关闭方                                     被动关闭方
  |----- 1. FIN, seq=u ------------------------->|
  | (FIN_WAIT_1)                                 | (CLOSE_WAIT)
  |<---- 2. ACK, ack=u+1 ------------------------|
  | (FIN_WAIT_2)                                 |
  |<---- 3. FIN, seq=w --------------------------|
  |                                              | (LAST_ACK)
  |----- 4. ACK, ack=w+1 ----------------------->|
  | (TIME_WAIT, 等 2MSL -> CLOSED)                | (CLOSED)
  1. 主动关闭方（通常是客户端）数据发完，发送 FIN，进入 FIN_WAIT_1。
  2. 被动关闭方回 ACK，进入 CLOSE_WAIT；此时它仍可继续发送剩余数据（TCP 是全双工，需要分别关闭两个方向）。主动方进入 FIN_WAIT_2。
  3. 被动方数据也发完，发送 FIN，进入 LAST_ACK。
  4. 主动方回 ACK，进入 TIME_WAIT，等待 2MSL 后变为 CLOSED；被动方收到 ACK 即 CLOSED。

为什么是四次：关闭是双向的，一个方向的 FIN 只表示"我不再发数据了"，对方可能还有数据要发，因此需要各自发一次 FIN 并各自被确认。

3.4.3 TCP 状态机与 TIME_WAIT / CLOSE_WAIT

状态 出现在 含义
LISTEN 服务端 监听端口，等待连接
SYN_SENT 客户端 已发 SYN，等待对端响应
SYN_RECV 服务端 收到 SYN 并回了 SYN+ACK，半连接状态
ESTABLISHED 双方 连接已建立，可收发数据
FIN_WAIT_1 主动关闭方 已发 FIN，等待对端 ACK
FIN_WAIT_2 主动关闭方 己方 FIN 已被确认，等待对端的 FIN
CLOSE_WAIT 被动关闭方 收到对端 FIN 并已 ACK，等待本端应用调用 close()
LAST_ACK 被动关闭方 已发出自己的 FIN，等待最后的 ACK
TIME_WAIT 主动关闭方 已发最后的 ACK，等待 2MSL 后彻底关闭
CLOSING 双方 双方几乎同时关闭的少见状态
CLOSED 双方 连接不存在

TIME_WAIT 说明：

  • 只出现在主动关闭连接的一方，持续 2MSL（MSL 为报文最大生存时间，Linux 固定约 60 秒，即 TIME_WAIT 约 60 秒，内核宏 TCP_TIMEWAIT_LEN）。
  • 存在意义：① 确保最后一个 ACK 丢失时，对端重发的 FIN 还能被响应，让对端可靠关闭；② 让本次连接的迟到报文在网络中消亡，避免干扰使用相同四元组的新连接。
  • 大量 TIME_WAIT 常见于高并发短连接的客户端或反向代理（Nginx 主动关闭后端连接）。危害主要是占用本地端口。
  • 常见优化：开启长连接/连接池（最有效）、net.ipv4.tcp_tw_reuse=1（客户端侧复用，需 tcp_timestamps=1）、扩大 net.ipv4.ip_local_port_range。不要使用已被移除的 tcp_tw_recycle（NAT 环境下会导致连接失败）。

CLOSE_WAIT 说明：

  • 只出现在被动关闭的一方，表示对端已经关闭，而本端应用程序没有调用 close()/shutdown() 释放 socket。
  • 大量 CLOSE_WAIT 基本可以断定是应用程序 BUG（异常分支未关闭连接、连接池泄漏、线程阻塞未回收），不是内核参数能解决的问题；它不会自动超时消失，会一直占用文件描述符直至进程退出。
  • 排查方法：
ss -tan state close-wait                       # 列出 CLOSE_WAIT 连接
ss -tanp | grep CLOSE-WAIT                     # 带进程信息
netstat -ant | awk '/^tcp/{S[$NF]++} END{for(a in S) print a, S[a]}'   # 各状态计数
lsof -p <PID> | grep -c TCP                    # 查看某进程占用的连接数

3.5 UDP 协议与 TCP 对比

UDP（User Datagram Protocol）是无连接、不可靠、面向报文的传输层协议，头部仅 8 字节（源端口、目的端口、长度、校验和）。

对比项 TCP UDP
连接方式 面向连接，需三次握手 无连接，直接发送
可靠性 可靠：确认、重传、排序、去重 不可靠：可能丢包、乱序、重复
传输单位 字节流（无边界，需应用自己分包） 数据报（保留消息边界）
头部开销 20 字节起 8 字节
流量/拥塞控制 有（滑动窗口、慢启动等） 无
速度与时延 较慢、时延抖动大 快、时延低
支持通信方式 只能一对一 支持一对一、一对多（广播/组播）
典型应用 HTTP/HTTPS、SSH、FTP、SMTP、MySQL、NFS(TCP) DNS 查询、DHCP、SNMP、TFTP、NTP、语音视频、QUIC、syslog

3.6 端口号

  • 端口号为 16 位，范围 0 ~ 65535，用于标识同一主机上的不同网络进程；IP + 协议 + 端口 唯一确定一个通信端点，"源 IP + 源端口 + 目的 IP + 目的端口"称为四元组。
  • 分类：
    • 0 ~ 1023：知名端口（Well-Known），由 IANA 分配，Linux 下绑定需要 root 权限。
    • 1024 ~ 49151：注册端口，常见服务软件使用。
    • 49152 ~ 65535：动态/私有端口，客户端随机源端口取自此范围（Linux 实际范围见 cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range）。
  • 端口号建议取值范围为 1024 ~ 65535（如使用 nc 做测试时自选端口）。
  • 本机服务与端口对应关系记录在 /etc/services。

常用端口号对照表：

端口 协议 服务 说明
20 TCP FTP-Data FTP 数据连接（主动模式）
21 TCP FTP FTP 控制连接，明文传输
22 TCP SSH/SFTP/SCP 加密远程登录与文件传输
23 TCP Telnet 明文远程登录，不安全，常被当作测端口的工具
25 TCP SMTP 发送邮件
53 UDP/TCP DNS 域名解析：查询用 UDP，区域传送和大响应用 TCP
67/68 UDP DHCP 67 服务端，68 客户端
69 UDP TFTP 简单文件传输，PXE 装机常用
80 TCP HTTP 明文 Web
110 TCP POP3 接收邮件
111 TCP/UDP rpcbind/portmap NFS、NIS 等 RPC 服务端口映射
123 UDP NTP 时间同步
137/138/139 UDP/TCP NetBIOS Windows 网络邻居
143 TCP IMAP 接收邮件
161/162 UDP SNMP 网络设备监控
389 TCP LDAP 目录服务（636 为 LDAPS）
443 TCP HTTPS HTTP over TLS（HTTP/3 使用 UDP 443）
445 TCP SMB/CIFS Windows 文件共享
465/587 TCP SMTPS/Submission 加密发信
514 UDP Syslog 日志收集
873 TCP rsync rsync 守护进程模式
993/995 TCP IMAPS/POP3S 加密收信
1521 TCP Oracle Oracle 数据库
2049 TCP/UDP NFS 网络文件系统
3306 TCP MySQL/MariaDB 数据库
3389 TCP RDP Windows 远程桌面
5432 TCP PostgreSQL 数据库
5672 TCP AMQP RabbitMQ
6379 TCP Redis 缓存数据库
8080 TCP HTTP-Alt Tomcat 等应用服务器常用
9200/9300 TCP Elasticsearch REST 接口 / 集群通信
11211 TCP/UDP Memcached 缓存
27017 TCP MongoDB 数据库

3.7 常见应用层协议

协议 端口 传输层 作用与要点
HTTP 80 TCP 超文本传输协议，无状态请求-响应模型；方法 GET/POST/PUT/DELETE/HEAD；状态码 2xx 成功、3xx 重定向、4xx 客户端错误、5xx 服务端错误；HTTP/1.1 支持长连接（Keep-Alive）
HTTPS 443 TCP HTTP + SSL/TLS，提供加密、完整性校验与服务端身份认证；握手过程为协商加密套件、验证证书、交换会话密钥后转对称加密
FTP 21（控制）、20（数据） TCP 文件传输协议，明文；主动模式（PORT，服务端从 20 端口主动连客户端，易被客户端防火墙阻挡）与被动模式（PASV，服务端开高端口等客户端连，穿越 NAT 更友好）；安全替代为 SFTP（走 SSH 22）与 FTPS
SSH 22 TCP 安全外壳协议，加密远程登录、执行命令、文件传输（scp/sftp）、端口转发与隧道
DNS 53 UDP 为主，TCP 辅 域名与 IP 相互解析。记录类型：A(IPv4)、AAAA(IPv6)、CNAME(别名)、MX(邮件)、NS(权威服务器)、PTR(反向)、TXT、SOA。解析顺序：浏览器/系统缓存 → /etc/hosts → /etc/resolv.conf 指定的 DNS → 根域 → 顶级域 → 权威域。递归查询由本地 DNS 代为完成，迭代查询在各级 DNS 之间进行
DHCP 67（服务端）、68（客户端） UDP 自动为客户端分配 IP、掩码、网关、DNS。四步过程：DISCOVER（客户端广播）→ OFFER（服务端提供）→ REQUEST（客户端请求确认）→ ACK（服务端确认），含租期与续租（租期一半时续租）
Telnet 23 TCP 明文远程登录，生产禁用；常用来测试 TCP 端口是否开放
SMTP/POP3/IMAP 25 / 110 / 143 TCP 发信 / 收信（下载后可删除）/ 收信（服务端保留并同步状态）
NTP 123 UDP 时间同步，集群、日志与认证（Kerberos）强依赖时间一致
SNMP 161/162 UDP 网络设备与服务器监控采集
NFS 2049（依赖 111 rpcbind） TCP/UDP 类 UNIX 平台的网络文件共享

详见 09-02-NFS与autofs.md

四、IP 地址

4.1 IPv4 与 IPv6

版本 格式 示例
IPv4 四个点分十进制数字 10.1.1.35、192.168.1.1
IPv6 六组点分十六进制数字（因互联网急剧扩张、IPv4 地址不足而发展的下一代 IP） fe80::20c:29ff:fe21:fd31

IPv4 地址是一个 32 位的二进制数字，由网络地址和主机地址两部分组成。

IPv4 地址由四个十进制数字表示，每个十进制数可转换为一个八位二进制数。例如：

10.1.1.35 转换为二进制：
00001010.00000001.00000001.00100011

每一位对应的权值（掩码 255 时）：

位序：  1   2   3   4   5  6  7  8
权值：128  64  32  16  8  4  2  1

练习：将以下二进制转换为十进制：

11000000.10101000.00000001.01100100

（答案见本文"练习"一节。）

十进制转二进制的实用方法：

用 128、64、32、16、8、4、2、1 依次去减，能减则该位为 1，不能减则为 0。例如 183：

183 - 128 = 55  -> 1
 55 - 64  < 0   -> 0
 55 - 32  = 23  -> 1
 23 - 16  = 7   -> 1
  7 - 8   < 0   -> 0
  7 - 4   = 3   -> 1
  3 - 2   = 1   -> 1
  1 - 1   = 0   -> 1
=> 183 = 10110111

也可使用系统自带计算器的"程序员"（编程）模式做进制转换，或用命令行：

# 十进制转二进制
echo 'obase=2; 183' | bc          # 输出 10110111
# 二进制转十进制
echo 'ibase=2; 10110111' | bc     # 输出 183
printf '%d\n' 0b10110111          # bash 4.2+ 亦可

4.2 IP 地址管理机构

IP 地址由全球性机构 IANA 统一管理，各区域分配机构如下：

机构 负责区域
AfriNIC 非洲地区
APNIC 亚太地区（中国所在区域）
ARIN 北美地区
LACNIC 拉丁美洲及加勒比群岛
RIPE NCC 欧洲、中东和中亚

4.3 IP 地址分类

IP 地址分为 A、B、C、D、E 五类，互联网上实际使用的只有 A、B、C 三类。

类别 网络位/主机位 开头标识（固定首位） 地址范围 默认子网掩码 说明
A 类 前 8 位网络位，后 24 位主机位 首位为 0 1 - 127（0.0.0.1 ~ 127.255.255.255） 255.0.0.0（/8） 以 0 开头，适合超大型网络
B 类 前 16 位网络位，后 16 位主机位 前两位为 10 128 - 191（128.0.0.0 ~ 191.255.255.255） 255.255.0.0（/16） 以 10 开头，适合中大型网络
C 类 前 24 位网络位，后 8 位主机位 前三位为 110 192 - 223（192.0.0.0 ~ 223.255.255.255） 255.255.255.0（/24） 以 110 开头，适合小型网络
D 类 组播地址（无网络/主机位划分） 前四位为 1110 224 - 239（224.0.0.0 ~ 239.255.255.255） — 多播地址，保留用于寻址一组计算机或同一协议组的主机
E 类 军方使用与预留 前五位为 11110 240 - 247（240.0.0.0 ~ 247.255.255.255）；广义为 240.0.0.0 ~ 255.255.255.255 — 保留地址，公网未使用，一般用于科研实验或私有网络以解决 IP 不足

各类地址的二进制范围：

A 类：00000000.00000000.00000000.00000001 ~ 01111111.11111111.11111111.11111111
B 类：10000000.00000000.00000000.00000000 ~ 10111111.11111111.11111111.11111111
C 类：11000000.00000000.00000000.00000000 ~ 11011111.11111111.11111111.11111111
D 类：11100000.00000000.00000000.00000000 ~ 11101111.11111111.11111111.11111111
E 类：11110000.00000000.00000000.00000000 ~ 11110111.11111111.11111111.11111111

判断类别的速算法：只看第一个十进制数（第一字节）落在 1-127 / 128-191 / 192-223 / 224-239 / 240-255 哪个区间即可。

常见 D 类（组播）保留地址举例：224.0.0.1（本网段所有主机）、224.0.0.2（本网段所有路由器）、224.0.0.5/6（OSPF）、224.0.0.9（RIPv2）、224.0.0.18（VRRP，keepalived 使用）。

4.4 特殊地址

地址/地址段 用途
0.0.0.0 32 位全为 0。作为本机地址时代表本机本身（DHCP 未获取地址前的源地址）；在监听语境中代表"本机所有 IP"；在路由表中代表"全世界所有地址"，即默认路由；代表所有 IP
255.255.255.255 32 位全为 1，受限广播地址（全网广播），不被路由器转发
127.0.0.1 ~ 127.255.255.255 本地环回地址，代表本机本身，用于测试本机 TCP/IP 协议是否正常
网络地址（主机位全 0） 标识一个网段本身，如 192.168.1.0/24，不能分配给主机
广播地址（主机位全 1） 定向广播，发给该网段所有主机，如 192.168.1.255，不能分配给主机
169.254.0.0/16 链路本地地址（APIPA）。DHCP 获取失败时系统自动配置，只能同网段通信，看到它基本说明没拿到 DHCP 地址
224.0.0.0/4 组播地址段

某些集群软件也会使用环回地址，例如 LVS 集群的 DR（Direct Routing）架构。

4.5 三个私网网段

以下地址为内网（局域网）地址，不能在公网上路由，由 RFC1918 定义，可在不同单位内部重复使用，通过 NAT 转换后访问公网：

类别 私网网段 CIDR 表示 可用地址数
A 类 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255 10.0.0.0/8 约 1677 万
B 类 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 172.16.0.0/12 约 104 万
C 类 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 192.168.0.0/16 约 6.5 万

注意 B 类私网是 172.16 ~ 172.31，共 16 个 B 类网段，不是只有 172.16。

4.6 IPv6 简介

IPv4 地址长 32 位，理论上约 43 亿个，已分配枯竭；IPv6 地址长 128 位，数量约 3.4×10^38，同时简化了首部、取消了广播与分片、内置 IPsec、支持地址自动配置（SLAAC）。（IPv6 此处不深入展开，不必强记分类。）

表示方法：

  • 采用冒分十六进制：8 组，每组 4 个十六进制数，组间用 : 分隔。
完整写法：2001:0DB8:0000:0000:0000:0000:1428:57AB
  • 前导零可省略：
2001:DB8:0:0:0:0:1428:57AB
  • 连续的全零组可用 :: 压缩一次（整个地址只能出现一个 ::）：
2001:DB8::1428:57AB
::1        等价于 0:0:0:0:0:0:0:1    IPv6 环回地址（相当于 IPv4 的 127.0.0.1）
::         等价于全 0                 未指定地址（相当于 0.0.0.0）
  • 前缀长度用 CIDR 方式书写，如 2001:db8::/32、fe80::/10；主机地址通常为 /64。
  • 在 URL 中需用方括号括起：http://[2001:db8::1]:80/。

常见地址类型：

类型 前缀 说明
全球单播地址 2000::/3 相当于 IPv4 公网地址
链路本地地址 fe80::/10 自动生成，仅本链路有效，示例 fe80::20c:29ff:fe21:fd31（常由 MAC 通过 EUI-64 生成），使用时需指明接口如 ping6 fe80::1%eth0
唯一本地地址 fc00::/7（实际用 fd00::/8） 相当于 IPv4 私网地址
组播地址 ff00::/8 IPv6 用组播取代广播，如 ff02::1 所有节点、ff02::2 所有路由器
任播地址 与单播同段 发给"最近的一个"成员

常用命令：

ip -6 addr show                 # 查看 IPv6 地址
ip -6 route show                # 查看 IPv6 路由
ping6 ::1                       # 测试本机 IPv6 协议栈
ping6 -I eth0 fe80::1           # 指定接口 ping 链路本地地址
ss -6 -tuln                     # 查看 IPv6 监听端口
sysctl -w net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=1    # 临时关闭 IPv6

五、子网掩码与子网划分

5.1 基本原理

IP 地址 = 网络号 + 主机号。子网掩码（netmask）决定 IP 属于哪个网段。

  • 同一网段的不同 IP 可以直接通信。
  • 不同网段的两个 IP 需要经过路由才能通信。

子网掩码把一个 IP 地址分成两部分：左边是网络部分，右边是主机部分。掩码的二进制形式一定是"连续的 1 后面跟连续的 0"，1 的个数就是网络位长度。

判断两个 IP 是否在同一网段的方法：将 IP 地址与子网掩码做按位与（AND）运算（对应位都为 1 才取 1，否则取 0），得到网络号。网络号相同则在同一网段。

以 192.168.0.183/24 为例：

IP   11000000.10101000.00000000.10110111
掩码 11111111.11111111.11111111.00000000
与   11000000.10101000.00000000.00000000   => 192.168.0.0

由此可得：

  • 网络号：主机部分的二进制位全部为 0，如 10.1.1.0。
  • 广播地址：主机部分的二进制位全部为 1，如 10.1.1.255。
  • 可用 IP 数量：主机部分除去网络号和广播地址，剩下的都是可用 IP。

网络号相同就是同一个网段；同一网段的节点在默认配置下可以直接通信。

计算方法示范（以 172.16.33.44/16 为例）：

172.16.33.44 => 10101100.00010000.00100001.00101100
/16 掩码     => 11111111.11111111.00000000.00000000
与运算结果   => 10101100.00010000.00000000.00000000   => 172.16.0.0   （网络号）
主机位置 1   => 10101100.00010000.11111111.11111111   => 172.16.255.255（广播地址）

可使用系统自带计算器的"程序员"（编程）模式做进制转换。

5.2 CIDR 前缀表示与掩码换算

CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由）用 IP/前缀长度 的方式表示网络，如 192.168.1.0/24，其中 /24 表示前 24 位是网络位。CIDR 打破了 A/B/C 类的固定边界，使地址分配更灵活。

点分十进制掩码与前缀长度换算：把前缀长度按 8 位一组拆开，满 8 位的组写 255，不足的组按权值累加。

单字节内可能出现的掩码值只有 9 种：

该字节中 1 的个数 二进制 十进制
0 00000000 0
1 10000000 128
2 11000000 192
3 11100000 224
4 11110000 240
5 11111000 248
6 11111100 252
7 11111110 254
8 11111111 255

举例：

/18 => 11111111.11111111.11000000.00000000 => 255.255.192.0
/26 => 11111111.11111111.11111111.11000000 => 255.255.255.192
/30 => 11111111.11111111.11111111.11111100 => 255.255.255.252

反过来，255.255.255.128 中 1 的个数为 8+8+8+1 = 25，即 /25。

5.3 网络地址、广播地址与可用主机数的计算公式

设前缀长度为 m（即掩码中 1 的个数），主机位数为 h = 32 - m：

计算项 公式 / 方法
网络地址 IP AND 掩码（主机位全置 0）
广播地址 网络地址 OR 反掩码（主机位全置 1）
该网段地址总数 2^(32-m)
可用主机数 2^(32-m) - 2（减去网络地址与广播地址）
第一个可用 IP 网络地址 + 1
最后一个可用 IP 广播地址 - 1
地址块步长（block size） 256 - 掩码中最后一个非 0 字节的值

特例说明：

  • /31（2^1 - 2 = 0）按 RFC3021 用于点对点链路，两个地址都可用。
  • /32 表示单个主机地址（主机路由），常用于回环、VIP、路由条目。

5.4 计算示例：10.1.1.35/8 与 10.1.1.36/24 能否互通

第一个 IP：10.1.1.35/255.0.0.0

  00001010.00000001.00000001.00100011   (10.1.1.35)
& 11111111.00000000.00000000.00000000   (255.0.0.0)
----------------------------------------
  00001010.00000000.00000000.00000000   网络号：10.0.0.0
  • 网络号：10.0.0.0（即 10.0.0.0/8）
  • 主机号：1.1.35
  • 广播地址：10.255.255.255
  • 可用主机范围：10.0.0.1 ~ 10.255.255.254

第二个 IP：10.1.1.36/255.255.255.0

  00001010.00000001.00000001.00100100   (10.1.1.36)
& 11111111.11111111.11111111.00000000   (255.255.255.0)
----------------------------------------
  00001010.00000001.00000001.00000000   网络号：10.1.1.0
  • 网络号：10.1.1.0（即 10.1.1.0/24）
  • 主机号：36
  • 广播地址：10.1.1.255
  • 可用主机范围：10.1.1.1 ~ 10.1.1.254

两个 IP 的网络号不同（10.0.0.0 ≠ 10.1.1.0），不能直接互通。

5.5 子网划分的计算公式

子网划分的本质：向主机位借位当作子网位，用一个大网段切分出多个小网段，从而隔离广播域、节约地址、便于管理。

设默认掩码位数为 n，划分后掩码位数为 m：

计算项 公式
子网数量 2^(m - n)
每个子网可用主机数 2^(32 - m) - 2（减 2 是去掉网络号和广播地址）

可用 Shell 快速计算：

echo $[2**(m-n)]       # 子网数
echo $[2**(32-m)-2]    # 每子网可用主机数

实际执行示例：

# 192.168.1.0/25：C 类默认 /24，借 1 位
echo $[2**(25-24)]     # 2      子网数
echo $[2**(32-25)-2]   # 126    每子网可用主机数

# 172.16.0.0/18：B 类默认 /16，借 2 位
echo $[2**(18-16)]     # 4
echo $[2**(32-18)-2]   # 16382

5.6 子网划分的完整计算步骤

以"把 192.168.10.0/24 划分为 4 个子网"为例，标准步骤如下：

  1. 确定默认掩码位数 n：192.168.10.0 是 C 类地址，默认掩码 /24，n = 24。
  2. 确定需要借的位数：需要 4 个子网，2^k ≥ 4，取 k = 2，则新掩码 m = n + k = 26，即 255.255.255.192。
  3. 计算每个子网的主机数：2^(32-26) - 2 = 64 - 2 = 62 台。
  4. 计算步长（block size）：256 - 192 = 64，即每个子网在最后一个字节上间隔 64。
  5. 列出各子网的网络地址：从 0 开始按步长递增 —— 0、64、128、192。
  6. 写出每个子网的广播地址与可用范围：广播地址 = 下一个网络地址 - 1。
子网 网络地址 可用 IP 范围 广播地址 掩码
1 192.168.10.0/26 192.168.10.1 ~ 192.168.10.62 192.168.10.63 255.255.255.192
2 192.168.10.64/26 192.168.10.65 ~ 192.168.10.126 192.168.10.127 255.255.255.192
3 192.168.10.128/26 192.168.10.129 ~ 192.168.10.190 192.168.10.191 255.255.255.192
4 192.168.10.192/26 192.168.10.193 ~ 192.168.10.254 192.168.10.255 255.255.255.192

反向题型（按主机数需求划分）：若每个子网需容纳 30 台主机，则 2^h - 2 ≥ 30，得 h = 5，掩码 m = 32 - 5 = 27，即 255.255.255.224，步长 256 - 224 = 32，一个 C 类可划分出 2^(27-24) = 8 个子网。

5.7 示例一：192.168.1.0/25

即 192.168.1.0/255.255.255.128，C 类默认掩码为 /24。

  • 子网数：2^(25-24) = 2
  • 每子网可用主机数：2^(32-25) - 2 = 126
子网 网络号 可用 IP 范围 广播地址
1 192.168.1.0 192.168.1.1 ~ 192.168.1.126 192.168.1.127
2 192.168.1.128 192.168.1.129 ~ 192.168.1.254 192.168.1.255

5.8 示例二：172.16.0.0/18

即 172.16.0.0/255.255.192.0，B 类默认掩码为 /16。

  • 子网数：2^(18-16) = 4
  • 每子网可用主机数：2^(32-18) - 2 = 16382
子网 网络号 可用 IP 范围 广播地址
1 172.16.0.0 172.16.0.1 ~ 172.16.63.254 172.16.63.255
2 172.16.64.0 172.16.64.1 ~ 172.16.127.254 172.16.127.255
3 172.16.128.0 172.16.128.1 ~ 172.16.191.254 172.16.191.255
4 172.16.192.0 172.16.192.1 ~ 172.16.255.254 172.16.255.255

此例中借位发生在第三个字节，步长为 256 - 192 = 64，因此第三字节按 0、64、128、192 递增。

5.9 VLSM 变长子网掩码

VLSM（Variable Length Subnet Mask）：在同一个大网段内，根据各子网实际主机数量的不同，使用不同长度的掩码划分，避免定长划分造成的浪费。

划分原则：先满足需求最大的子网，从大到小依次分配，且每个子网的起始地址必须对齐其块大小。

例题：把 192.168.20.0/24 分配给以下四个部门。

部门 需要主机数
办公区 100
研发区 50
测试区 20
路由器互联链路 2

计算过程：

  1. 办公区 100 台：2^7 - 2 = 126 ≥ 100，取 /25，块大小 128 → 192.168.20.0/25（可用 .1 ~ .126，广播 .127）。
  2. 研发区 50 台：2^6 - 2 = 62 ≥ 50，取 /26，块大小 64 → 从 128 开始 → 192.168.20.128/26（可用 .129 ~ .190，广播 .191）。
  3. 测试区 20 台：2^5 - 2 = 30 ≥ 20，取 /27，块大小 32 → 从 192 开始 → 192.168.20.192/27（可用 .193 ~ .222，广播 .223）。
  4. 互联链路 2 台：2^2 - 2 = 2，取 /30，块大小 4 → 从 224 开始 → 192.168.20.224/30（可用 .225 ~ .226，广播 .227）。

结果汇总：

部门 网段 掩码 可用范围 广播
办公区 192.168.20.0/25 255.255.255.128 .1 ~ .126 .127
研发区 192.168.20.128/26 255.255.255.192 .129 ~ .190 .191
测试区 192.168.20.192/27 255.255.255.224 .193 ~ .222 .223
互联链路 192.168.20.224/30 255.255.255.252 .225 ~ .226 .227
剩余可用 192.168.20.228 ~ 192.168.20.255 — 可继续按需划分 —

点对点链路使用 /30 是经典做法（2 个可用地址），支持 RFC3021 的设备可用 /31 进一步节约。

5.10 超网与路由聚合

超网（Supernetting）/ 路由汇总（Route Summarization）/ CIDR 聚合：与子网划分相反，把多个连续的小网段合并成一个大网段，用一条路由条目代表多条，从而缩小路由表规模、加快查表、减少路由震荡传播。

聚合方法：找出这些网段网络地址的公共二进制前缀，前缀长度就是聚合后的掩码长度。

例题：聚合以下 4 个网段。

192.168.8.0/24  => 11000000.10101000.00001000.00000000
192.168.9.0/24  => 11000000.10101000.00001001.00000000
192.168.10.0/24 => 11000000.10101000.00001010.00000000
192.168.11.0/24 => 11000000.10101000.00001011.00000000
                                      ^^^^^^ 前 22 位完全相同

前两个字节 16 位相同，第三字节前 6 位 000010 相同，共 16 + 6 = 22 位 → 聚合结果 192.168.8.0/22，掩码 255.255.252.0，覆盖 192.168.8.0 ~ 192.168.11.255。

再例：10.1.0.0/16 ~ 10.1.3.0/16 类似地可聚合为 10.0.0.0/14（需网段连续且起始地址对齐块大小）。

聚合的前提条件：

  1. 被聚合的网段必须连续。
  2. 聚合后的网络地址必须能被块大小整除（对齐），例如 /22 的块大小为 4，起始第三字节必须是 0、4、8、12…。
  3. 聚合可能会多覆盖（包含未实际使用的地址），需确保不会把不属于本方向的网段误吸收。

典型应用：企业出口路由汇总、BGP 路由宣告聚合、ip route add 10.0.0.0/8 via ... 一条路由覆盖所有内网。

5.11 常用掩码速查表

以 C 类网段（默认 /24）为基准的划分表：

前缀 点分十进制掩码 反掩码/通配符 块大小 子网数（相对 /24） 每网段总地址 可用主机数
/24 255.255.255.0 0.0.0.255 256 1 256 254
/25 255.255.255.128 0.0.0.127 128 2 128 126
/26 255.255.255.192 0.0.0.63 64 4 64 62
/27 255.255.255.224 0.0.0.31 32 8 32 30
/28 255.255.255.240 0.0.0.15 16 16 16 14
/29 255.255.255.248 0.0.0.7 8 32 8 6
/30 255.255.255.252 0.0.0.3 4 64 4 2
/31 255.255.255.254 0.0.0.1 2 128 2 2（RFC3021 点对点）
/32 255.255.255.255 0.0.0.0 1 256 1 1（单主机）

大网段速查：

前缀 掩码 可用主机数 相当于
/8 255.0.0.0 16777214 1 个 A 类
/12 255.240.0.0 1048574 16 个 B 类
/16 255.255.0.0 65534 1 个 B 类 / 256 个 C 类
/18 255.255.192.0 16382 64 个 C 类
/20 255.255.240.0 4094 16 个 C 类
/22 255.255.252.0 1022 4 个 C 类
/23 255.255.254.0 510 2 个 C 类

Linux 下可用 ipcalc 快速验证：

ipcalc -b -m -n 192.168.10.130/26     # CentOS 7 自带（iputils/initscripts 提供）
ipcalc -a -b -n -m -p 192.168.10.130/26
sipcalc 192.168.10.0/26               # 功能更强，需额外安装

六、网关与路由

6.1 路由的作用

路由的作用是使两台处于不同网段的计算机能够相互访问。

示意图：

内网 IP：192.168.1.0/24          192.168.1.0/24
             张三家                    李四家
外网 IP：  71.1.1.1/8              81.1.1.1/8

6.2 默认网关的作用

默认网关（Default Gateway）是本网段通往其他所有网段的"出口"，通常是本网段路由器（或三层交换机）在该网段上的接口地址。

  • 主机发送数据前，先用自己的掩码判断目标 IP 是否与自己同网段：
    • 同网段：通过 ARP 拿到对方 MAC，直接二层转发。
    • 不同网段：把数据包的目的 IP 保持不变，但目的 MAC 填写默认网关的 MAC，交给网关代为转发。
  • 因此默认网关必须与本机 IP 在同一网段，否则不可达（除非配置了特殊的 onlink 路由）。
  • 在路由表中，默认网关体现为目标 0.0.0.0/0 的一条默认路由。
  • 一台主机通常只应有一个默认网关；配置多个默认网关会导致回包路径混乱（多网卡场景应使用策略路由或明细静态路由解决）。

上互联网的三要素：

  1. IP 地址
  2. Gateway（网关）
  3. DNS

使用 ping 检查网关连通情况：

ping -c 1 192.168.0.1

外网 IP ping 不通时，先检查路由表，再检查网关配置。

网卡配置文件中 GATEWAY=、DNS1= 等永久配置项详见 07-02-网卡配置与远程管理.md

6.3 查看路由表

在 Linux 下使用 route -n 查看系统路由表：

route -n

输出示例：

Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
192.168.1.0     0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 eth1
169.254.0.0     0.0.0.0         255.255.0.0     U     1002   0        0 eth1
0.0.0.0         192.168.1.1     0.0.0.0         UG    0      0        0 eth1

路由表字段说明：

字段 含义
Destination 目标网段
Gateway 网关地址（0.0.0.0 表示直连，无需网关）
Genmask 子网掩码
Flags 路由标志（U 表示启用，G 表示网关路由）
Metric 度量值/开销，值越小越优先
Ref 引用次数（Linux 未使用，恒为 0）
Use 查找该路由的次数
Iface 出站网卡

Flags 常见取值：

标志 含义
U Up，该路由有效、已启用
G Gateway，需要经过网关（间接路由）；没有 G 表示目标直连
H Host，目标是一台主机（/32），而不是一个网段
D 由 ICMP 重定向动态生成
M 被 ICMP 重定向修改过
! 拒绝路由（reject）

上例的三行含义：

  1. 192.168.1.0/24 直连在 eth1，无需网关（Gateway 为 0.0.0.0）。
  2. 169.254.0.0/16 链路本地路由，Metric 较大（1002），一般由 DHCP 失败或系统自动添加。
  3. 0.0.0.0/0 默认路由，凡是前两条都匹配不上的目标，都交给网关 192.168.1.1，从 eth1 发出（标志 UG）。

查看带 UG 标识的行里是否有网关 IP，即可判断默认网关是否配置成功。

使用 ip route（推荐，iproute2 工具集）：

ip route show
ip r            # 简写
ip route get 8.8.8.8         # 查询内核实际会用哪条路由、走哪个网卡、源地址是什么
ip route show table all      # 查看所有路由表（含 local/main/default）

输出示例与解读：

default via 192.168.1.1 dev eth0 proto static metric 100
169.254.0.0/16 dev eth0 scope link metric 1002
192.168.1.0/24 dev eth0 proto kernel scope link src 192.168.1.50 metric 100
字段 含义
default via X 默认路由，下一跳为 X，等价于 0.0.0.0/0
dev eth0 出接口
proto kernel 该路由由内核在配置 IP 时自动生成（直连路由）；static 为手工/配置文件添加；dhcp 由 DHCP 下发
scope link 目标在本链路上可直接到达；scope host 为本机；global 为全局
src 192.168.1.50 走此路由时默认使用的源地址
metric 优先级，越小越优先

route -n 属于 net-tools（ifconfig/netstat/arp 同族），CentOS 7 起默认可能未安装，推荐统一使用 iproute2 的 ip/ss 系列命令。

6.4 路由查找规则与最长前缀匹配

访问一个 IP 时，系统按以下顺序查找路由表：

  1. 路由表中若有目标网段的条目，则从该条目指定的网卡发出。
  2. 若没有匹配的网段条目，则查找默认路由（即网关，目标为 0.0.0.0/0 的那条），把数据包交给网关处理。
  3. 若连默认路由也没有，则报告网络不可达（Network is unreachable），数据包被丢弃。

路由选择原则（优先级由高到低）：

  1. 最长前缀匹配（Longest Prefix Match）：多条路由都能匹配目标 IP 时，掩码最长（最精确）的那条胜出，与书写顺序无关。
  2. 路由协议优先级 / 管理距离：同样精确度下，按来源可信度选择（直连 > 静态 > 动态路由 OSPF/RIP）。
  3. 度量值 Metric：同来源、同精确度时，Metric 小者优先。
  4. 若上述完全相同，则形成等价多路径（ECMP），进行负载分担。

最长前缀匹配示例：路由表中有

0.0.0.0/0        via 192.168.1.1     # 默认路由
10.0.0.0/8       via 192.168.1.2
10.1.0.0/16      via 192.168.1.3
10.1.1.0/24      via 192.168.1.4
10.1.1.100/32    via 192.168.1.5

访问不同目标时的选择：

目标 IP 命中路由 下一跳 原因
10.1.1.100 10.1.1.100/32 192.168.1.5 32 位最精确（主机路由）
10.1.1.200 10.1.1.0/24 192.168.1.4 24 位比 16、8 位更精确
10.1.9.5 10.1.0.0/16 192.168.1.3 不在 /24 内，退到 /16
10.9.9.9 10.0.0.0/8 192.168.1.2 只有 /8 匹配
8.8.8.8 0.0.0.0/0 192.168.1.1 都不匹配，走默认路由

可用 ip route get 直接验证内核的选择结果：

ip route get 10.1.1.200
# 输出示例：10.1.1.200 via 192.168.1.4 dev eth0 src 192.168.1.50

6.5 静态路由的添加与删除

iproute2 方式（推荐）：

# 添加默认路由 / 删除默认路由
sudo ip r add default via 192.168.0.1        # 添加默认路由
sudo ip r del default                        # 删除默认路由
sudo ip route add default via 192.168.1.1 dev eth0 metric 100

# 添加到某网段的静态路由（下一跳网关）
sudo ip route add 10.1.1.0/24 via 192.168.1.254
sudo ip route add 172.16.0.0/16 via 192.168.1.254 dev eth0

# 添加主机路由（/32）
sudo ip route add 10.8.8.8/32 via 192.168.1.254

# 添加直连（无网关）路由，走某个接口
sudo ip route add 10.2.2.0/24 dev eth1

# 修改与替换
sudo ip route change 10.1.1.0/24 via 192.168.1.253
sudo ip route replace default via 192.168.1.2

# 删除
sudo ip route del 10.1.1.0/24
sudo ip route del 10.1.1.0/24 via 192.168.1.254

# 黑洞路由（丢弃到某网段的流量）
sudo ip route add blackhole 192.0.2.0/24

net-tools（route）方式：

route add -net 10.1.1.0 netmask 255.255.255.0 gw 192.168.1.254         # 添加网段路由
route add -net 10.1.1.0/24 dev eth1                                    # 走指定网卡
route add -host 10.8.8.8 gw 192.168.1.254                              # 添加主机路由
route add default gw 192.168.1.1                                       # 添加默认网关
route del -net 10.1.1.0 netmask 255.255.255.0 gw 192.168.1.254         # 删除网段路由
route del default gw 192.168.1.1                                       # 删除默认网关

以上命令重启网络或系统后失效。永久保存静态路由（CentOS 7）：

# 方式一：写入网卡对应的 route-<网卡名> 文件
cat > /etc/sysconfig/network-scripts/route-eth0 <<'EOF'
10.1.1.0/24 via 192.168.1.254 dev eth0
172.16.0.0/16 via 192.168.1.254 dev eth0
EOF

# 方式二：旧式三行写法
# ADDRESS0=10.1.1.0
# NETMASK0=255.255.255.0
# GATEWAY0=192.168.1.254

# 生效
systemctl restart network

小实验（静态路由验证思路）：

ip route get 10.1.1.5                # 添加前：看走的是默认路由
ip route add 10.1.1.0/24 via 192.168.1.254
ip route get 10.1.1.5                # 添加后：应改为经 192.168.1.254
traceroute -n 10.1.1.5               # 观察第一跳是否变化
ip route del 10.1.1.0/24             # 清理实验环境

6.6 Linux 开启路由转发

Linux 主机默认不转发不属于自己的数据包。要让它充当路由器（或做 NAT 网关、容器/虚拟机宿主机），必须开启 IP 转发。

临时开启（重启失效）：

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1

查看当前状态（0 关闭，1 开启）：

cat /proc/sys/net/ipv4/ip_forward
sysctl net.ipv4.ip_forward

永久开启：编辑 /etc/sysctl.conf（或在 /etc/sysctl.d/ 下新建 .conf 文件）加入：

net.ipv4.ip_forward = 1
net.ipv6.conf.all.forwarding = 1

然后使其生效：

sysctl -p
sysctl --system        # 加载 /etc/sysctl.d/ 下所有配置

作为路由器还需注意：

  • 两侧网段的主机要把这台 Linux 的对应接口 IP 设为自己的网关。
  • 防火墙 FORWARD 链必须允许转发：
iptables -P FORWARD ACCEPT
iptables -A FORWARD -i eth0 -o eth1 -j ACCEPT
iptables -A FORWARD -i eth1 -o eth0 -m state --state ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT
  • 相关内核参数：net.ipv4.conf.all.rp_filter（反向路径过滤，不对称路由时可能丢包）、net.ipv4.conf.all.send_redirects。

6.7 NAT 与 SNAT / DNAT

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）：在数据包经过网关时修改其源或目的 IP（及端口），使私网地址能够访问公网、或把公网请求引入内网服务器。它是缓解 IPv4 地址枯竭的核心技术，同时隐藏内网结构、提供一定安全性。

类型 修改内容 发生方向 典型用途
SNAT（Source NAT） 修改源 IP 出方向（内网 → 公网） 让内网多台主机共享公网 IP 上网
MASQUERADE（伪装） SNAT 的特例，源 IP 自动取出接口当前地址 出方向 出口 IP 动态获取（ADSL/DHCP）时使用
DNAT（Destination NAT） 修改目的 IP 入方向（公网 → 内网） 端口映射/发布内网服务器，如把公网 80 映射到内网 Web 服务器
PAT / NAPT（端口多路复用） 同时修改 IP 与端口 双向 多台内网主机共用一个公网 IP，靠端口区分会话；家用路由器即此方式
全锥/受限锥形等类型 — — 描述 NAT 对外部入向包的宽松程度，影响 P2P 穿透

工作过程（SNAT 示例）：内网 192.168.1.10:52000 访问 8.8.8.8:80，网关公网地址 1.1.1.1。

出方向：192.168.1.10:52000 -> 8.8.8.8:80
        经网关 SNAT 改写为 1.1.1.1:61000 -> 8.8.8.8:80，并在连接跟踪表中记录映射
入方向：8.8.8.8:80 -> 1.1.1.1:61000
        网关查连接跟踪表，反向还原为 8.8.8.8:80 -> 192.168.1.10:52000

iptables 配置示例（需先开启 ip_forward）：

# SNAT：内网 192.168.1.0/24 出公网，源地址改为固定公网 IP 1.1.1.1
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.1.0/24 -o eth0 -j SNAT --to-source 1.1.1.1

# MASQUERADE：公网 IP 动态时使用
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.1.0/24 -o eth0 -j MASQUERADE

# DNAT：把访问网关 1.1.1.1:80 的请求转到内网 192.168.1.20:8080
iptables -t nat -A PREROUTING -d 1.1.1.1 -p tcp --dport 80 \
    -j DNAT --to-destination 192.168.1.20:8080

# 查看 NAT 规则与连接跟踪
iptables -t nat -nvL
conntrack -L
cat /proc/net/nf_conntrack | head

firewalld 方式：

firewall-cmd --permanent --zone=public --add-masquerade
firewall-cmd --permanent --zone=public \
    --add-forward-port=port=80:proto=tcp:toport=8080:toaddr=192.168.1.20
firewall-cmd --reload

注意事项：

  • SNAT 在 POSTROUTING 链（路由后），DNAT 在 PREROUTING 链（路由前），顺序不能颠倒。
  • NAT 依赖连接跟踪表（conntrack），高并发场景需关注 nf_conntrack_max 是否被打满（日志出现 nf_conntrack: table full, dropping packet）。
  • NAT 会破坏端到端透明性，对 FTP 主动模式、SIP、IPsec 等协议需要专门的 ALG 模块（如 nf_nat_ftp）。
  • 服务端看到的来源 IP 是 NAT 后的地址，Web 场景需依赖 X-Forwarded-For 获取真实客户端 IP。

七、网络排错的分层思路

7.1 按 OSI 层次自下而上排查

网络故障排查的通用原则：先物理后逻辑，先本地后远端，先分层定位再深入。

层次 检查内容 常用手段
物理层 网线是否插好、水晶头是否松动、网口指示灯是否闪烁、光模块与光纤、交换机是否加电、网卡是否被禁用 看指示灯、mii-tool、ethtool eth0（Link detected / Speed / Duplex）、换线换口
数据链路层 网卡状态是否 UP、MAC 地址是否正常、ARP 能否解析网关、VLAN 与端口配置、双工/速率协商、是否有大量错误包 ip link show、ip a s、ip neigh show、arping、ethtool -S eth0（错误计数）
网络层 IP/掩码是否正确、是否与网关同网段、路由表与默认网关是否正确、能否 ping 通网关与公网 IP、TTL 与路径 ip a、ip r、ping、traceroute、mtr、ip route get
传输层 端口是否监听、端口是否被防火墙拦截、连接状态是否异常（大量 TIME_WAIT/CLOSE_WAIT/SYN_RECV） ss -tuln、telnet ip port、nc -zv ip port、netstat -ant、iptables -nvL
应用层 DNS 解析是否正常、服务进程是否存活、配置与权限、证书是否过期、应用日志 ping 域名、dig/nslookup/host、curl -v、systemctl status、查看服务日志、tcpdump 抓包分析

7.2 六步网络故障排查法（实操流程）

遇到网络问题，按以下顺序逐步排查：

  1. 检查物理网线
    • 查看物理网口的黄灯是否闪烁。不闪烁则检查物理网线是否正常；闪烁则继续。
    • 执行 sudo mii-tool 网卡设备名，显示 link ok 代表网卡连接正常。
  2. 查看右上角网络连接状态，确认有线网络是否已连接。
  3. 查看当前网卡是否为停用状态：ip a s 查看 state 是 UP 还是 DOWN；若为 DOWN，执行 sudo ip l set enp0s25 up。
  4. 查看当前网卡是否有 IP：ip a s 查看；没有则临时获取（dhclient 或添加临时 IP），也可通过 ifcfg-* 永久配置。
  5. 检查网关（路由器）连接情况：ping -c 1 网关IP；外网 IP ping 不通先查路由表，再查网关配置。
  6. 检查 DNS 解析情况：ping -c 3 www.baidu.com；域名 ping 不通但外网 IP 能通则为 DNS 问题。

对应的常用命令：

sudo mii-tool enp0s25                # 检查物理链路，link ok 表示物理连接正常
ip a s                               # 查看网卡状态（UP/DOWN）与 IP
sudo ip l set enp0s25 up             # 启用网卡
sudo dhclient enp0s25                # 动态获取 IP
route -n                             # 查看路由表，确认 UG 行有网关
ping -c 1 192.168.0.1                # 测网关
ping -c 3 www.baidu.com              # 测 DNS 与外网

mii-tool 不太可靠：报告 link ok 通常确实 OK，但网线接触不好时也可能报 link ok；报 no link 则一般是网线没接好。

网卡查看与启停、临时/永久配置 IP（ifcfg-*）、DNS 与 hosts、主机名设置等配置细节详见 07-02-网卡配置与远程管理.md

7.3 常用排错工具及其定位用途

工具 主要用途 定位的层次 示例
ping 测试目标可达性、丢包率、往返时延（RTT）；基于 ICMP 网络层 ping -c 4 -W 1 192.168.1.1、ping -s 1472 -M do 8.8.8.8（探 MTU）、ping -I eth1 8.8.8.8（指定出口）
traceroute 逐跳显示数据包经过的路由器，定位在哪一跳开始不通或延迟突增；默认 UDP，-I 用 ICMP，-T 用 TCP（可穿透部分防火墙） 网络层 traceroute -n 8.8.8.8、traceroute -T -p 443 www.baidu.com
tracepath 与 traceroute 类似，无需 root，还能发现路径 MTU 网络层 tracepath 8.8.8.8
mtr traceroute + ping 的结合，持续探测并实时统计每跳丢包率与延迟，最适合判断中间某跳丢包/抖动 网络层 mtr -n 8.8.8.8、mtr -r -c 100 8.8.8.8（生成报告）
telnet 测试目标 TCP 端口是否开放（能连上即端口通），也可手工发 HTTP 请求 传输层/应用层 telnet 192.168.1.20 3306
nc（netcat） 端口探测、点对点传输、监听端口做服务端模拟；比 telnet 更灵活，可测 UDP 传输层 nc -zv 192.168.1.20 80、nc -zvu 192.168.1.20 53（UDP）、nc -l 8000（监听）
ss 查看套接字：监听端口、连接状态统计、进程归属；比 netstat 快得多（读 netlink） 传输层 ss -tuln（监听端口）、ss -tanp、ss -s（汇总）、ss -tan state time-wait
netstat 传统套接字与路由查看工具（net-tools） 传输层/网络层 netstat -tuln、netstat -rn（路由表）、netstat -i（接口统计与错误包）、netstat -ant \| awk '/^tcp/{S[$NF]++} END{for(a in S) print a, S[a]}'
tcpdump 抓包，最终定位手段：确认包到底有没有发出去、有没有收到、被谁 RST、握手停在哪一步 全部层次 tcpdump -i eth0 -nn host 192.168.1.20 and port 80、tcpdump -i any -nn tcp port 3306 -c 100 -w /tmp/a.pcap（用 Wireshark 分析）
dig / nslookup / host DNS 解析排查：解析结果、使用的 DNS、解析耗时、记录类型 应用层 dig www.baidu.com +short、dig @223.5.5.5 example.com A、dig +trace example.com、nslookup www.baidu.com
curl 应用层验证：HTTP 状态码、响应头、TLS 握手、各阶段耗时 应用层 curl -I http://ip/、curl -v https://host/、curl -o /dev/null -s -w '%{time_connect} %{time_total}\n' url
ethtool 网卡物理层信息：链路是否 detected、协商速率与双工、驱动、错误统计 物理层/链路层 ethtool eth0、ethtool -S eth0
ip 地址、链路、路由、邻居表的统一管理与查看 链路层/网络层 ip a、ip r、ip neigh、ip -s link（收发与错误统计）
iftop / nload / iotop 实时流量与带宽占用，定位"谁占满了带宽" — iftop -i eth0 -nNP
nmap 批量端口扫描与主机发现（需授权使用） 传输层 nmap -sT -p 1-1000 192.168.1.20、nmap -sn 192.168.1.0/24
iperf3 带宽与吞吐量测试，验证链路质量 传输层 服务端 iperf3 -s；客户端 iperf3 -c 服务端IP -t 30

典型排错决策树：

ping 网关不通 ──> 物理层/链路层问题：查网线、网卡 state、IP 与掩码是否同网段、ARP(ip neigh)
   |
   通
   v
ping 公网 IP(如 223.5.5.5) 不通 ──> 网络层：查默认路由 ip r、网关本身、运营商链路，traceroute/mtr 定位断点
   |
   通
   v
ping 域名不通 ──> 应用层 DNS：查 /etc/resolv.conf、dig @其他DNS 验证、/etc/hosts 是否有错误条目
   |
   通
   v
telnet/nc 目标端口不通 ──> 传输层：目标服务是否监听(ss -tuln)、两端防火墙(iptables -nvL / 云安全组)、SELinux
   |
   通
   v
端口通但业务异常 ──> 应用层：curl -v 看状态码、查服务日志、tcpdump 抓包看 RST/重传/超时

八、练习

8.1 二进制与十进制转换

题目： 将以下二进制转换为十进制。

11000000.10101000.00000001.01100100

答案： 192.168.1.100

计算过程：

11000000 = 128+64                = 192
10101000 = 128+32+8              = 168
00000001 = 1                     = 1
01100100 = 64+32+4               = 100

8.2 判断是否同网段（一）

题目： 10.1.1.35/8 与 10.1.1.36/24 能否互通？

答案： 不能。10.1.1.35/8 的网络号是 10.0.0.0，10.1.1.36/24 的网络号是 10.1.1.0，两者网络号不同，不在同一网段，必须经过路由才能通信。详细计算过程见本文 5.4 节。

8.3 判断是否同网段（二）

题目： 判断 10.1.0.35/24 和 10.1.1.36/16 能否互通？（提示：分别计算网络号后比较。）

答案与计算过程：

第一个 IP 10.1.0.35/24（掩码 255.255.255.0）：

  00001010.00000001.00000000.00100011   (10.1.0.35)
& 11111111.11111111.11111111.00000000   (255.255.255.0)
----------------------------------------
  00001010.00000001.00000000.00000000   网络号：10.1.0.0/24
  • 网络号：10.1.0.0，广播地址：10.1.0.255，可用范围：10.1.0.1 ~ 10.1.0.254

第二个 IP 10.1.1.36/16（掩码 255.255.0.0）：

  00001010.00000001.00000001.00100100   (10.1.1.36)
& 11111111.11111111.00000000.00000000   (255.255.0.0)
----------------------------------------
  00001010.00000001.00000000.00000000   网络号：10.1.0.0/16
  • 网络号：10.1.0.0，广播地址：10.1.255.255，可用范围：10.1.0.1 ~ 10.1.255.254

结论：不能正常互通。 虽然两者算出的网络号数值都是 10.1.0.0，但掩码不同，网段范围不同，双方的判断是不对称的：

  • 站在 10.1.0.35/24 的角度：自己的网段是 10.1.0.0/24（10.1.0.1 ~ 10.1.0.254），目标 10.1.1.36 不在其中，它会认为对方是外网段，必须把包交给默认网关；若没有配置正确的网关或网关没有到达对方的路由，则直接不可达。
  • 站在 10.1.1.36/16 的角度：自己的网段是 10.1.0.0/16（10.1.0.1 ~ 10.1.255.254），目标 10.1.0.35 在其中，它会认为对方同网段，直接发 ARP 二层通信。

这种"一方认为同网段、另一方认为跨网段"的配置属于典型的掩码配置错误，结果是通信单向或完全失败。结论：两个 IP 要能直接通信，必须 IP 与掩码都配置一致，使双方算出的网段完全相同。

8.4 计算网络号与广播地址（PPP1）

题目： 计算以下地址的网络号与广播地址。

  • 172.16.33.44/16
  • 172.16.33.44/18
  • 192.168.253.55/8
  • 192.168.253.55/15
  • 10.192.54.128/26

方法：将 IP 转为二进制，掩码为 1 的位保留、为 0 的位置 0 得网络号，为 0 的位置 1 得广播地址。参考本文"子网掩码与网络号"（5.1 节）中的示范。

答案与计算过程：

（1）172.16.33.44/16，掩码 255.255.0.0

IP       10101100.00010000.00100001.00101100
掩码     11111111.11111111.00000000.00000000
网络号   10101100.00010000.00000000.00000000  => 172.16.0.0
广播     10101100.00010000.11111111.11111111  => 172.16.255.255
  • 网络号：172.16.0.0，广播地址：172.16.255.255
  • 可用范围：172.16.0.1 ~ 172.16.255.254，可用主机数：2^16 - 2 = 65534

（2）172.16.33.44/18，掩码 255.255.192.0

第三字节 33 = 00100001，/18 只保留其前 2 位 00，其余置 0 得 0，置 1 得 63。

IP       10101100.00010000.00100001.00101100
掩码     11111111.11111111.11000000.00000000
网络号   10101100.00010000.00000000.00000000  => 172.16.0.0
广播     10101100.00010000.00111111.11111111  => 172.16.63.255
  • 网络号：172.16.0.0，广播地址：172.16.63.255
  • 可用范围：172.16.0.1 ~ 172.16.63.254，可用主机数：2^14 - 2 = 16382

（3）192.168.253.55/8，掩码 255.0.0.0

IP       11000000.10101000.11111101.00110111
掩码     11111111.00000000.00000000.00000000
网络号   11000000.00000000.00000000.00000000  => 192.0.0.0
广播     11000000.11111111.11111111.11111111  => 192.255.255.255
  • 网络号：192.0.0.0，广播地址：192.255.255.255
  • 可用范围：192.0.0.1 ~ 192.255.255.254，可用主机数：2^24 - 2 = 16777214
  • 注意：192.168.253.55 本身是 C 类地址，这里人为使用 /8 掩码，属于练习换算的题目，说明掩码由配置决定，与地址的传统类别无关。

（4）192.168.253.55/15，掩码 255.254.0.0

第二字节 168 = 10101000，/15 保留其前 7 位 1010100，最后一位置 0 得 10101000 = 168，置 1 得 10101001 = 169。

IP       11000000.10101000.11111101.00110111
掩码     11111111.11111110.00000000.00000000
网络号   11000000.10101000.00000000.00000000  => 192.168.0.0
广播     11000000.10101001.11111111.11111111  => 192.169.255.255
  • 网络号：192.168.0.0，广播地址：192.169.255.255
  • 可用范围：192.168.0.1 ~ 192.169.255.254，可用主机数：2^17 - 2 = 131070

（5）10.192.54.128/26，掩码 255.255.255.192

第四字节 128 = 10000000，/26 保留其前 2 位 10，其余置 0 得 10000000 = 128，置 1 得 10111111 = 191。

IP       00001010.11000000.00110110.10000000
掩码     11111111.11111111.11111111.11000000
网络号   00001010.11000000.00110110.10000000  => 10.192.54.128
广播     00001010.11000000.00110110.10111111  => 10.192.54.191
  • 网络号：10.192.54.128，广播地址：10.192.54.191
  • 可用范围：10.192.54.129 ~ 10.192.54.190，可用主机数：2^6 - 2 = 62
  • 注意本题中 10.192.54.128 恰好就是网络地址本身，不能分配给主机使用。

8.5 子网划分计算题

题目： 请问 10.0.0.0/11 划分了多少个子网？（提示：A 类默认掩码为 /8。）

答案与计算过程：

  • A 类默认掩码位数 n = 8，划分后 m = 11，即向主机位借了 11 - 8 = 3 位。
  • 子网数：2^(m-n) = 2^(11-8) = 2^3 = 8 个子网。
  • 每个子网可用主机数：2^(32-m) - 2 = 2^21 - 2 = 2097152 - 2 = 2097150 台。
  • 掩码：/11 = 11111111.11100000.00000000.00000000 = 255.224.0.0
  • 步长：256 - 224 = 32，即第二字节按 0、32、64、96、128、160、192、224 递增。

8 个子网明细：

子网 网络地址 可用 IP 范围 广播地址
1 10.0.0.0/11 10.0.0.1 ~ 10.31.255.254 10.31.255.255
2 10.32.0.0/11 10.32.0.1 ~ 10.63.255.254 10.63.255.255
3 10.64.0.0/11 10.64.0.1 ~ 10.95.255.254 10.95.255.255
4 10.96.0.0/11 10.96.0.1 ~ 10.127.255.254 10.127.255.255
5 10.128.0.0/11 10.128.0.1 ~ 10.159.255.254 10.159.255.255
6 10.160.0.0/11 10.160.0.1 ~ 10.191.255.254 10.191.255.255
7 10.192.0.0/11 10.192.0.1 ~ 10.223.255.254 10.223.255.255
8 10.224.0.0/11 10.224.0.1 ~ 10.255.255.254 10.255.255.255

验证命令：

echo $[2**(11-8)]       # 8
echo $[2**(32-11)-2]    # 2097150

8.6 补充练习（自测）

  1. 192.168.1.0/24 要划分给 6 个部门，每个部门至少 25 台主机，应使用什么掩码？各子网网段是什么？

    • 答案： 需要 6 个子网，2^3 = 8 ≥ 6，借 3 位得 /27（255.255.255.224）；每子网可用 2^5 - 2 = 30 ≥ 25，满足要求。步长 32，子网为 192.168.1.0/27、.32/27、.64/27、.96/27、.128/27、.160/27、.192/27、.224/27，取前 6 个即可。

  2. 172.16.20.200/28 属于哪个网段？它的广播地址与可用范围是什么？

    • 答案： /28 掩码 255.255.255.240，步长 16。200 ÷ 16 = 12.5，落在第 13 个块 192 ~ 207。网络地址 172.16.20.192/28，广播地址 172.16.20.207，可用范围 172.16.20.193 ~ 172.16.20.206（14 台）。

  3. 把 10.10.0.0/24、10.10.1.0/24、10.10.2.0/24、10.10.3.0/24 聚合成一条路由。

    • 答案： 第三字节 0、1、2、3 的二进制前 6 位均为 000000，公共前缀 16 + 6 = 22 位，聚合为 10.10.0.0/22（掩码 255.255.252.0）。

  4. 一条点对点专线链路，最省地址的掩码是什么？可用地址几个？

    • 答案： 传统用 /30（255.255.255.252），2 个可用地址；支持 RFC3021 的设备可用 /31，2 个地址均可用，最省。

  5. 某主机 IP 为 192.168.5.130/25，网关配置为 192.168.5.1，能否正常上网？为什么？

    • 答案： 不能。/25 使该主机所在网段为 192.168.5.128/25（范围 .129 ~ .254），而网关 192.168.5.1 属于 192.168.5.0/25 网段，与主机不在同一网段，主机无法通过 ARP 找到网关，默认路由不可用。应把网关改为 192.168.5.129（或调整主机掩码为 /24）。

  6. 服务器上出现数百个 CLOSE_WAIT 且持续不减，最可能的原因是什么？如何排查？

    • 答案： 应用程序收到对端 FIN 后没有调用 close() 释放连接（代码 BUG 或连接池泄漏），不是内核参数问题。用 ss -tanp state close-wait 找到对应进程与对端，再结合 lsof -p PID 与应用代码/日志排查未关闭连接的分支。

8.7 其他配套练习

以下练习属于网卡配置、远程管理与网络文件共享的实操内容，题目与答案在对应文档中完整给出：

  • 操练 mii-tool（PPP2）、修改主机名（PPP3）、使用 SSH 登录服务器（PPP4）、操练 scp（PPP5）、使用 nc 传输文件和文件夹（PPP6）、rsync 应用（PPP7）、使用公钥登录 SSH 服务器（PPP8）。

    详见 07-02-网卡配置与远程管理.md

  • 练习 NFS（PPP9）：两人配合搭建 NFS 服务（共享端配置 /etc/exports，访问端 showmount/mount）。

    详见 09-02-NFS与autofs.md

最后修改：2026 年 09 月 20 日
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