网络层常见问题

默认网关不存在时的 IP/ARP 通信

ARP 通信：可以。
- 仅限于本地子网内设备。
- ARP 不依赖默认网关设置。
- 无法 ARP 不存在的网关地址。
IP 通信：
- 本地子网内设备：可以。
  - 不使用默认网关，直接 ARP 并通信。
- 局域网外部（远程网络）：不可以。
  - 主机尝试将流量发给不存在的默认网关，ARP 失败导致无法发送。

拓扑：主机 A/B — Hub — 交换机 — (路由器) — 主机 C (直连交换机)。
前提：主机 A/B/C 在同一 IP 子网。
通信结果：可以进行 IP 通信，交换机不会丢弃报文。
设备行为：
- Hub：L1 设备，无智能，泛洪所有流量，形成单个冲突域/广播域。
- 交换机：L2 设备，学习 MAC 地址，根据 MAC 表智能转发单播帧，泛洪广播帧。每个端口独立冲突域，同一 VLAN 是广播域。
- 路由器：L3 设备，连接不同 IP 子网，是广播域边界。
交换机丢弃情况（非正常行为）：
- 端口安全限制、MAC 地址表溢出攻击、网络环路、VLAN 配置不匹配。

结论：是的，VLAN 会完全隔离 ARP。
原理：
- VLAN 的本质是创建逻辑广播域。
- ARP 请求是广播帧。
- 交换机仅在同一 VLAN 内泛洪广播帧，不会将广播帧转发到其他 VLAN。
跨 VLAN 通信：
- 不同 VLAN 间的设备无法直接通过 ARP 相互发现。
- 需要三层设备（路由器或三层交换机）进行路由。路由器会在各自 VLAN 内进行 ARP。

报文类型	源 MAC 地址	目的 MAC 地址	源 IP 地址	目的 IP 地址
Request	单播	`FF:FF:FF:FF:FF:FF` (广播)	单播	单播
Reply	单播	单播	单播	单播

报文类型	源 MAC 地址	目的 MAC 地址	源 IP 地址	目的 IP 地址
Discover	单播	`FF:FF:FF:FF:FF:FF` (广播)	`0.0.0.0` (未分配)	`255.255.255.255` (广播)
Offer	单播	广播或单播	单播	广播或单播
Request	单播	广播或单播	`0.0.0.0` 或单播	广播或单播
ACK	单播	广播或单播	单播	广播或单播
NAK	单播	广播	单播	广播
Decline	单播	单播	`0.0.0.0`	单播
Release	单播	单播	单播	单播
Inform	单播	单播	单播	单播

MTU 检查: 路由器比较分组长度与出接口 MTU。
DF 位检查:
- DF = 1 (不分片): 丢弃分组，发送 ICMP “Fragmentation Needed” 错误消息给源主机。
- DF = 0 (允许分片): 执行分片。
生成分片:
- 原始 IP 分组数据被分割成多块。
- 每个分片获得一个原始 IP 头部的副本。
IP 头部修改:
- 总长度: 更新为当前分片长度。
- 标志（Flags）:
  - MF = 1 (More Fragments): 除最后一个分片外。
  - MF = 0: 最后一个分片。
- 片偏移（Fragment Offset）: 表示分片数据在原始分组中的起始位置（以 8 字节为单位）。
- 标识（Identification）: 所有分片保持相同值。
- 头部校验和: 重新计算。
独立转发: 各分片独立路由。

性能开销: 分片和重组增加处理负担，降低效率。
可靠性问题: 任一分片丢失导致整个原始分组丢失。
IPv6:
- 路由器不分片: IPv6 路由器遇到 MTU 过小的分组会丢弃，并发送 ICMPv6 “Packet Too Big” 消息。
- 源主机分片: 如果需要，IPv6 中的分片操作只能由源主机进行（通过路径 MTU 发现及分片扩展头部）。

特性	/30 CIDR 地址块	/31 CIDR 地址块
前缀长度	30 位	31 位
主机位数	2 位	1 位
总地址数	4 个	2 个
可用地址数	2 个 (用于链路两端)	2 个 (用于链路两端)
保留地址	2 个 (网络地址和广播地址)	0 个 (根据 RFC 3021 特殊处理)
RFC 规范	传统 IP 寻址规则	RFC 3021 (专门为 P2P 链路设计)
主要优点	传统、兼容性好	极大地节约 IP 地址资源
主要缺点	相对于 P2P 链路需求，存在 50% 的地址浪费	需要设备支持 RFC 3021；仅适用于 P2P 链路
适用场景	任何需要 P2P 连接的场合，尤其是对 IP 地址节约不敏感的场景	拥有大量 P2P 链路、对 IP 地址节约有强烈需求的场景（如 ISP）

简而言之，/30 提供了两个可用地址，但同时也浪费了两个保留地址；而 /31 则通过 RFC 3021 规范，使得其仅有的两个地址都能直接用于点对点链路，从而实现了 IP 地址的零浪费。在规划大型网络时，选择 /31 可以显著提高 IP 地址的利用效率。

水平分割 (Horizontal Split)：
- 解决问题：主要解决距离矢量路由协议（如 RIP）在网络中可能出现的路由环路问题。它通过禁止路由器将从某个接口学到的路由信息，再从同一个接口通告出去，从而有效阻止了路由信息在环路中无限传播。
多播转发树 (Multicast Forwarding Tree)：
- 解决问题：解决将一份多播数据流高效、无环地分发给网络中多个感兴趣的接收者的问题。它通过构建一个从多播源到所有接收者的树状路径，确保每份数据只在需要的地方复制和转发，避免了对整个网络进行泛洪（flooding）导致资源浪费，也防止了重复数据包的发送。
TTL (Time-to-Live)：
- 解决问题：解决 IP 数据包在网络中因路由环路或其他原因无限循环，从而耗尽网络资源的问题。TTL 字段在 IP 数据包每经过一个路由器（即一个跳段）时减 1，当 TTL 值为 0 时，路由器会丢弃该数据包，有效限制了数据包在网络中的最大生存时间或跳数。