單元 03 IPv4、子網與下一跳

學習目標與問題

先讀單元 01、02。你應能將十進位位址轉成前綴判斷，計算一般子網範圍，使用最長前綴匹配找出口，並解釋 ICMP 與 MTU。問題是：目的主機不在同一個網段時，電腦究竟把訊框交給誰？

補充 03A 進一步處理單介面多 IP、來源偏好與政策路由；完成 L03 後接 L15。

3.1 位址與前綴

IPv4 位址有 32 bits，通常寫成四個 0 至 255 的十進位數。CIDR 的 /n 表示前 n bits 是網路前綴；它不是可用主機數。192.0.2.64/26 的遮罩為 255.255.255.192，每塊有 64 個位址。一般廣播子網中網路位址為 .64、廣播為 .127，主機為 .65 至 .126。/31 點對點鏈路和 /32 主機路由有不同用途，不能機械套用「減二」。

判斷是否同網段：將位址與遮罩逐 bit 做 AND，再比較網路前綴。最後一個 octet 的 .70 是 01000110；與 11000000 做 AND 得 01000000，即 .64。位址長得相似不代表同一子網。

私有位址 10/8、172.16/12、192.168/16 供內部使用；它們不是自動加密或安全區。192.0.2/24、198.51.100/24、203.0.113/24 是本文範例使用的文件用位址。不要把例題目的主機當成 Internet 上的實際服務。

3.2 路由表選的是下一跳

主機和路由器都要查轉送資訊。查表以目的 IP 比較所有可用路由，優先選最長匹配前綴；同前綴的優先序與成本再依平臺、路由來源及設定決定。預設路由 0.0.0.0/0 只在沒有更具體匹配時使用。

目的 .140 符合 /24 和 /25，選 /25；目的 198.51.100.20 選 /24；192.0.2.80 選 on-link。遠端目的 IP 仍寫在 IP 封包內，鏈路目的 MAC 則是下一跳路由器。一般情況下 ARP 查的是下一跳的 IPv4 位址，不會一路廣播找遠端主機。

下一跳本身也必須可達。上表假設 .65、.66 在介面 A 的直連網段，且鏈路正常。路由存在不等於服務存活；正向路徑可達也不保證回程可達。

3.3 IP 標頭與逐跳處理

來源與目的位址識別 IP 端點；Protocol 欄位指向 TCP、UDP 或 ICMP 等上層；TTL 限制轉送次數。每經路由器轉送會降低 TTL，降到零時丟棄，通常可回 ICMP Time Exceeded。TTL 現在主要表示跳數限制，不能當作精確的存活秒數。

IP 本身不保證到達、順序或無重複。應用是否需要重傳、排序、驗證，要看上層。IPv4 標頭檢查和只涵蓋 IP 標頭；它不能保證整份應用資料不被修改。

3.4 MTU、分片與 ICMP

鏈路 MTU 限制可承載的 IP 封包大小；路徑 MTU 在此模型取各段鏈路 MTU 的最小值。IPv4 可在允許時分片，但分片遺失會讓整個資料報無法重組，且中間裝置可能丟棄分片。設定 DF 的過大封包不能由中間路由器分片，通常需要 ICMP 回報限制。PMTUD 利用這類訊息；封鎖必要 ICMP 可能造成「小資料能通、大資料卡住」。

例：Ethernet MTU 1500，無 options 的 IPv4 20 bytes、TCP 20 bytes，理想 TCP 資料上限為 1460 bytes。加上 VPN、TCP options 或其他封裝後要重新計算；MSS 不是所有封包永久固定為 1460。

ICMP 是控制與診斷訊息，不是 TCP／UDP 埠上的服務。ping 的 Echo Reply 只支持特定路徑與回覆的結論；拒絕 ping 的網站仍可能接受 HTTPS。traceroute 的各跳延遲也不是每段鏈路延遲，ICMP 限速、不同回程和負載平衡會影響結果。

實驗、習題與檢核

做 L03：先手算三個目的位址，再用 ipaddress 和最長前綴查表確認。

1. 求 198.51.100.160/27 的網路、廣播、一般可用範圍與遮罩。
2. 上表目的 198.51.100.200、203.0.113.9 各選哪條路由？
3. 解釋遠端封包的目的 IP 和第一跳目的 MAC 為何不同。
4. 連線可傳 100-byte 內容卻卡在大型回應，提出兩個可測試假設。

檢核：能分開回答「去哪個 IP」「走哪個介面」「交給哪個下一跳」。來源補充 RFC 1918（私有位址）、RFC 5737（文件位址）。來源：RFC 4632、RFC 791、RFC 1191、RFC 3021。