为什么划分子网#

一个较大的网络可能拥有很多 IP 地址，但实际并不一定全部用得上。子网划分就是把一个较大的地址空间分成多个较小的逻辑网络，便于分组、管理和使用。

基本思路：从原来的主机位中借出若干位作为子网位。

• 借出的位越多，可划分的子网越多；
• 剩余的主机位越少，每个子网可容纳的主机越少。

IPv4 地址与分类#

IPv4 地址共 32 位，通常写成四段点分十进制数，每段 8 位，取值范围为 0~255。

传统分类地址

私有地址与特殊地址

127.0.0.1 又称 localhost。如果 UDP 客户端和服务端运行在同一台计算机上，可以把目标地址写成 127.0.0.1 进行本机测试。

子网掩码#

作用

子网掩码用于区分 IP 地址中的网络部分与主机部分：

• 掩码中的连续 1 对应网络位；
• 后面的连续 0 对应主机位；
• IP 地址与子网掩码进行按位与（AND），结果就是网络地址。

默认掩码示例

以 192.168.3.100/24 为例：

1
IP 地址：   192.168.3.100
2
子网掩码： 255.255.255.0
3
按位与：   192.168.3.0

所以：

• 网络地址：192.168.3.0
• 主机号：100
• 广播地址：192.168.3.255
• 可用主机地址：192.168.3.1 ~ 192.168.3.254

网络地址、广播地址与网关#

网络地址

同一子网中，所有主机的网络位相同。把主机位全部置为 0，得到该子网的网络地址（子网号）。网络地址用于标识整个子网，不能直接分配给普通主机。

广播地址

保持网络位不变，把主机位全部置为 1，得到该子网的广播地址。发送到广播地址的数据会被同一广播域内的所有主机接收。

网关

网关通常是连接不同网络的路由器接口地址。主机访问其他子网时，数据先交给默认网关，再由路由器转发。

非默认子网掩码与 CIDR#

CIDR 写法中的 /n 表示子网掩码前面连续 1 的数量，也就是网络位总数。

示例：

1
IP 地址：   192.168.3.100
2
子网掩码： 255.255.255.248
3
CIDR：      192.168.3.100/29

248 的二进制为 11111000，因此最后一段有 5 个网络位、3 个主机位。该 C 类地址相对于默认 /24 借用了 5 位。

计算：

• 步长：256 - 248 = 8
• .100 所在区间：96~103
• 网络地址：192.168.3.96
• 广播地址：192.168.3.103
• 可用地址：192.168.3.97 ~ 192.168.3.102
• 可用主机数：2^3 - 2 = 6
• 该 IP 在子网内的主机号：100 - 96 = 4

子网划分的核心公式

设：

• x = 从原主机位中借出的子网位数；
• y = 划分后剩余的主机位数。

则：

1
子网个数 = 2^x
2
每个子网的地址总数 = 2^y
3
每个子网的可用主机数 = 2^y - 2

减去的 2 个地址分别是：

1. 主机位全为 0：网络地址；
2. 主机位全为 1：广播地址。

UDP 广播#

两种广播地址

• 定向广播（直接广播）：向某个具体子网的广播地址发送，例如 /24 网络中的 192.168.1.255
• 有限（受限）广播：255.255.255.255，表示当前本地网络中的所有主机，路由器通常不会转发

Windows UDP 套接字开启广播

客户端不能直接向广播地址发送数据，需要先设置 SO_BROADCAST：

1
BOOL val = TRUE;
2
setsockopt(
3
    s,
4
    SOL_SOCKET,
5
    SO_BROADCAST,
6
    reinterpret_cast<const char*>(&val),
7
    sizeof(val)
8
);

不设置时直接发送会出现 sendto error: 10013；启用 SO_BROADCAST 后即可正常广播。

1
// 定向广播示例（假设当前网络为 192.168.1.0/24）
2
addrTo.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("192.168.1.255");
3

4
// 受限广播
5
addrTo.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr("255.255.255.255");

服务端绑定 INADDR_ANY 和相同端口后，可以接收发往该端口的广播数据。广播适合一对多通知，但会占用同一广播域内所有主机的处理资源，不能无限制使用。

以太网帧结构、MTU 与 MSS#

以太网帧主要字段

1
目的 MAC（6 字节）
2
+ 源 MAC（6 字节）
3
+ 类型（2 字节）
4
+ 数据（46~1500 字节）
5
+ FCS 帧校验序列（4 字节）

不计前导码和帧开始定界符时，以太网帧长度范围为：

1
最小：6 + 6 + 2 + 46 + 4 = 64 字节
2
最大：6 + 6 + 2 + 1500 + 4 = 1518 字节

MTU

MTU（Maximum Transmission Unit）表示链路层一次能够承载的网络层数据最大长度。

普通以太网的 MTU 通常为 1500 字节，即以太网帧“数据”字段最大为 1500 字节。

MSS

MSS（Maximum Segment Size）表示一个 TCP 报文段中能够承载的最大应用数据长度，不包含 IP 首部和 TCP 首部。

在没有选项时：

1
MSS = MTU - IPv4 首部 - TCP 首部
2
    = 1500 - 20 - 20
3
    = 1460 字节

MSS 是 TCP 概念，不能直接套到 UDP 上。

IPv4 数据报首部#

IPv4 首部由固定部分和可变部分组成：

• 最小首部长度：20 字节；
• 含选项时最大可到：60 字节；
• 数据报由“首部 + 数据”组成，传输时首部在前。

主要字段

可选字段与 TLV

IPv4 首部按 32 位（4 字节）为一个基本行宽，可选字段加填充后必须是 4 字节的整数倍。

例如选项实际占 5 字节时，需要填充到 8 字节。

在可选字段内部的选项通常按 TLV 组织（现代网络中 IPv4 选项并不常用，大多数普通数据报都没有选项）。

• T（Type）：类型；
• L（Length）：长度；
• V（Value）：值。

把供网络层设备处理的控制信息放入 IP 首部选项，路由器等仅处理到网络层的设备才能读取；普通应用数据仍放在数据部分。

分片的基本关系

当 IP 数据报大于链路 MTU 时，可能需要分片。各分片通过“标识”字段关联，通过“标志”和“片偏移”确定是否还有后续分片以及各片原来的位置，接收端再完成重组。

首部校验、TTL

• 每个路由器转发前会处理 TTL；TTL 每经过一跳减 1，减到 0 就丢弃数据报，以避免路由环路中的数据报长期占用网络资源；
• IPv4 首部校验和字段是 16 位，用于检测首部传输错误。路由器修改 TTL 后需要重新计算首部校验和；校验失败的数据报会被丢弃。