IPv4 编址、子网、CIDR 与聚合

本课目标

能从IP报文、地址前缀、映射表、路由状态和设备队列逐步推出下一跳、分片、协议时序或拥塞结果，并用代码复核数值。

核心机制

IPv4前缀长度决定网络位，主机位用于子网内接口。网络地址把主机位清0，广播地址把主机位置1；普通子网可用主机数通常2^h-2。CIDR支持可变前缀和路由聚合，转发采用最长前缀匹配。聚合必须覆盖连续、正确对齐的地址块。

报文、地址与时序推演

192.168.10.64/26范围64–127，网络64、广播127，可用65–126共62。四个连续/24且从192.168.0.0对齐可聚合为192.168.0.0/22。

统一记录“输入接口、首部字段、目的前缀、候选路由、最长匹配、输出接口、队列状态”。控制协议题另画请求/响应主体和地址层次；路由题记录每轮距离、前驱或路径属性。所有地址先标前缀长度，所有分片先标数据长度与8字节偏移单位。

可运行模型

import ipaddress
n=ipaddress.ip_network('192.168.10.64/26');print(n.network_address,n.broadcast_address,n.num_addresses-2);print(list(ipaddress.collapse_addresses([ipaddress.ip_network(f'192.168.{i}.0/24') for i in range(4)])))

先手算再运行。修改MTU、前缀、NAT端口、链路代价、AS属性或到达率，说明报文和状态怎样变化。

边界与错因

转发不等于路由；ARP解析下一跳MAC而不改变IP目的；NAT映射必须能让回包唯一还原。IPv4分片偏移单位不是字节，IPv6路由器不分片。RIP/OSPF/BGP分别是距离向量、链路状态、路径向量与策略，不能只按“最短”混答。转发表正确也可能因输出队列拥塞丢包。

迁移练习

把同一分组改MTU、DF或TTL；把同一地址放入多个重叠前缀；让链路代价或BGP属性改变；给路由器输入增加突发流量。每次重画字段、候选项和最终状态，而非只改结论。

课内验收

完成下方两道在线题，并提交分片表、前缀匹配表、协议时序或路由迭代表。计算题保留字节、bit和前缀单位。