古法网络入门

• IP 地址的构成 ── 32 位，网络号和机器号，/24 与掩码
• 发送前的判断 ── 对方在同一网络吗？弄错会怎样（实测）
• 特殊地址与 DHCP ── 私有、127、169.254。获取地址的四次往来（实测）
• 地址耗尽与 IPv6 ── 2011 年库存耗尽的故事，以及 128 位的地址

第 3 讲的 MAC 地址是“到相邻设备”的收件人，每经过一台路由器就被换掉。相对地，IP 地址是到最终对方的地址，途中不会改变。

IPv4 地址是 32 位（4 字节）。每 8 位一段分成 4 段，每段写成 0〜255 的十进制，再用“.”连起来，就是熟悉的 10.0.1.10。

地址分成两部分。前面是网络号（哪个城镇），后面是机器号（几号门牌）。表示在哪里分开的就是“/24”这个数字，意思是从前面数 24 位是网络号。

# 第 1 讲电脑的地址
$ ip -4 addr show eth0
    inet 10.0.1.10/24 scope global eth0
# 写成二进制（/24＝前 24 位是网络号，剩下 8 位是机器号）
address  00001010.00000000.00000001.00001010   10.0.1.10
mask     11111111.11111111.11111111.00000000   255.255.255.0
# 地址与掩码做 AND（两边都是 1 的位才是 1）＝网络号
network  00001010.00000000.00000001.00000000   10.0.1.0

/24 和“前 24 位是 1、其余是 0”的 32 位掩码表示同一件事。写成十进制是 255.255.255.0。以前通常写成掩码的形式，现在常用简短的“/24”（CIDR 表示法）。

/24 的网络有 256 个地址，但能分配给机器的是 254 个。因为第一个（10.0.1.0）保留为表示网络本身的编号，最后一个（10.0.1.255）保留为发给该网络所有人的编号。/30 的 4 个地址里能用 2 个，常用于两台路由器之间用一根线相连。

/24 真正起作用的是发送前的判断。电脑在发送数据包前，会用自己的掩码截取对方地址和自己的地址进行比较。相同，对方就在同一网络，用 ARP 询问对方的 MAC 直接发送。不同，就是外面，交给路由器（默认网关）。

回到开头的问题。在第 1 讲的练习网络中，把新井电脑的地址分别设为正确的 10.0.1.10/24 和错误的 10.0.1.10/16，向路由器另一侧的服务器（10.0.2.20）发 ping。

# 正确的 /24：10.0.2.20 是“外面的”，所以经由路由器（10.0.1.1）发出
$ ip addr add 10.0.1.10/24 dev eth0
$ ip route get 10.0.2.20
    10.0.2.20 via 10.0.1.1 dev eth0 src 10.0.1.10 uid 0
$ ping -c 3 10.0.2.20
    3 packets transmitted, 3 received, 0% packet loss
# 误设 /16：把 10.0.2.20 也判断为“同一网络”，不经路由器直接发送
$ ip addr add 10.0.1.10/16 dev eth0
$ ip route get 10.0.2.20
    10.0.2.20 dev eth0 src 10.0.1.10 uid 0
$ ping -c 3 10.0.2.20
    3 packets transmitted, 0 received, 100% packet loss

设成 /16 后，电脑把 10.0.2.20 判断为“同一网络”，想不经过路由器直接发送，于是向所有人询问它的 MAC。可是服务器在路由器的另一边，没人回答。问了 3 次，一个 ping 也没发出去（100% 失败）。掩码不是“大一点、小一点”的问题，而是改变了选路的方式本身。

IPv4 地址中，有一些保留给特殊用途。放在第一个字节的数轴上是这样的。

最重要的是私有地址（10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16）。在家里或公司内部，不用向任何人申请就能自由使用。代价是不能直接在互联网上使用。本系列的 10.0.1.10 也是私有地址。家用路由器在出去时把它换成自己的全球地址（NAT），把许多机器藏在一个地址后面（第 5 讲）。

以 127 开头的地址是自己。127.0.0.1 最有名，但因为是 /8，只要以 127 开头就都是自己。

# 以 127 开头的地址，全都是“自己”
$ ping -c 1 127.42.42.42
    64 bytes from 127.42.42.42: icmp_seq=1 ttl=64 time=0.285 ms
$ ip addr show lo
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo

如果自己的电脑上出现了以 169.254 开头的地址，说明没能从 DHCP 获取地址（见下一章）。100.64.0.0/10 是运营商在用户之间共享用的地址，Tailscale 那篇文章里见到的 100.x.y.z 也在这个范围内。

只要连上家里的 Wi-Fi，电脑就会有地址。分配地址的是路由器里的 DHCP 服务器。我给练习网络的路由器加上 DHCP，记录了没有地址的电脑获取地址的过程（封面照片）。

# 在没有地址的电脑上运行 dhclient 的记录（地址通过 DHCP 获取）
$ dhclient -v eth0
    DHCPDISCOVER on eth0 to 255.255.255.255 port 67 interval 3 (xid=0xcc0bcf66)
    DHCPDISCOVER on eth0 to 255.255.255.255 port 67 interval 5 (xid=0xcc0bcf66)
    DHCPOFFER of 10.0.1.177 from 10.0.1.1
    DHCPREQUEST for 10.0.1.177 on eth0 to 255.255.255.255 port 67 (xid=0x66cf0bcc)
    DHCPACK of 10.0.1.177 from 10.0.1.1 (xid=0xcc0bcf66)
    bound to 10.0.1.177 -- renewal in 1714 seconds.
# 收到的 ACK 里写着的内容（来自 Wireshark 的详情）
    Your (client) IP address: 10.0.1.177
    Subnet Mask:              255.255.255.0
    Router:                   10.0.1.1
    Domain Name Server:       10.0.1.1
    IP Address Lease Time:    1 hour (3600)
    Renewal Time Value:       30 minutes (1800)

往来是“Discover（请给我）→ Offer（这个怎么样？）→ Request（我要这个）→ ACK（给你）”四个。没有地址的电脑既不知道自己的地址也不知道对方的，所以用源 0.0.0.0、目的 255.255.255.255（发给所有人）来喊。

有意思的是，确定地址花了约 3 秒。路由器在分配 10.0.1.177 之前，用 ARP 确认了 3 次有没有机器在用这个地址。其间电脑以为没有回应，又发了一次 Discover，所以收到了 2 个 Offer。

得到的地址有期限（租约）。这次是 1 小时，过了一半的 30 分钟（实际的 dhclient 加了随机偏差，是 1,714 秒）就会请求“续租”。电脑合着盖子让租约过期的话，地址可能会分给别的机器。

32 位能做出的地址是 2³²＝约 43 亿个。比地球人口还少，而且还有特殊地址，以及早年的大块分配。

全球地址总管 IANA 的库存在 2011 年 2 月 3 日耗尽。包括日本在内的亚太地区 APNIC，也在同年 4 月 15 日结束了常规分配。互联网之所以还在运转，是因为家庭和公司使用私有地址和 NAT，让许多机器共用一个全球地址。而根本的解决方案是 IPv6。

IPv6 地址是 128 位。能做出的数量是 2¹²⁸，不是 IPv4 的 4 倍，而是 2⁹⁶ 倍。因为很长，所以每 16 位一组分成 8 组，用十六进制书写，并把连续的 0 缩写。

写这篇文章用的云端 Linux 没有 IPv6 功能，所以这里用 Python 的 ipaddress 计算来确认。

>>> import ipaddress
# 连续的 0 缩写成 ::，开头的 0 省略
>>> ipaddress.ip_address('2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001').compressed
'2001:db8::1'
# 地址的数量
>>> 2 ** 128
340282366920938463463374607431768211456
>>> 2 ** 32
4294967296
# 用第 3 讲的 MAC 生成的链路本地地址（EUI-64：插入 ff:fe，翻转本地位）
>>> def eui64(mac):
...     b = bytes.fromhex(mac.replace(':', ''))
...     iid = bytes([b[0] ^ 0x02]) + b[1:3] + b'\xff\xfe' + b[3:]
...     return 'fe80::' + ':'.join(iid[i:i+2].hex() for i in range(0, 8, 2))
...
>>> ipaddress.ip_address(eui64('02:00:00:00:01:10'))
IPv6Address('fe80::ff:fe00:110')

在 IPv6 中，机器可以自己生成地址。前 64 位是路由器告知的网络号，后 64 位是自己生成的编号。以前是用第 3 讲的 MAC 地址生成的（上面的 EUI-64，第 3 讲的本地位在这里被翻转），但那样机器会被追踪，所以现在的操作系统通常使用随机编号。以 fe80:: 开头的地址是只在同一网络内使用的链路本地地址，IPv6 设备一定都有。

普及虽然缓慢，但稳步前进。访问 Google 的连接中使用 IPv6 的比例，在 2026 年 4 月首次达到约一半。现在很多家庭里 IPv4 和 IPv6 同时运行（双栈），哪个能用就选哪个。做服务器的一方，别忘了确认 IPv6 也在监听（第 7 讲）。

在家里的电脑上看 ipconfig 或 ifconfig，通常会看到以 192.168 或 10 开头的地址（私有）和以 fe80:: 开头的地址。如果是以 169.254 开头，说明没能从 DHCP 获取地址。先检查路由器的电源和网线（第 2 讲）。