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1.2 IP 位址與路由：封包的旅程#

尋址問題：如何在千萬網路中找到一台機器？#

郵寄需要地址，網路通訊需要 IP 位址。IP 的設計目標：全球唯一的邏輯地址 + 分層選路。

IPv4：32 位元的地址危機#

IPv4 地址是 32 位元，理論上限 \(2^{32} \approx 43\) 億個：

192.168.1.10  =  11000000.10101000.00000001.00001010
網路部分（子網遮罩決定）       主機部分

1980 年代就有人算出：43 億不夠（世界人口就超過了）。演化出的三個補丁，恰好是理解今天網路架構的鑰匙：

補丁一：子網與 CIDR（1993）#

早期的 A/B/C 分類浪費嚴重，CIDR（Classless Inter-Domain Routing）改為彈性字首：

\[ \text{網路大小} = 2^{(32 - \text{前綴長度})} \quad \text{如 } 192.168.1.0/24 \text{ 有 } 256 \text{ 個地址} \]

字首分層讓路由表可聚合：骨幹路由器不必記 43 億條，只記幾十萬條聚合前綴 —— 這是「層次化降低複雜度」的又一例證。

補丁二：NAT（網路地址轉換）#

你家只有一個公網 IP，但十幾台裝置都能上網，靠的是 NAT：路由器把內網地址（192.168.x.x）+ 埠號映射成公網地址 + 埠號。

NAT 的副作用：外網無法主動連進你的裝置 —— 這直接造成 3.4 節 WebRTC 需要 STUN/TURN 打洞的複雜性。技術的補丁常常埋下下一代的問題。

補丁三：私有地址段#

段 範圍
10.0.0.0/8 10.x.x.x
172.16.0.0/12 172.16–31.x.x
192.168.0.0/16 192.168.x.x

IPv6：128 位元的最終解答#

1998 年定案的 IPv6 用 128 位元： \(2^{128} \approx 3.4 \times 10^{38}\) ，地球上每平方米可分 \(10^{23}\) 個地址。

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

遷移缓慢的原因：NAT 已經夠用 + 新舊不相容 —— 技術再好，轉換成本決定採用速度（對照 2.1 節 HTTP/3 的推行困境）。

路由：封包如何跨洋#

每一跳路由器做的事：查路由表（最長字首匹配）→ TTL 減 1 → 轉發。tracert 指令顯示的正是這條路徑：

traceroute google.com
#  1  192.168.1.1     家用路由器
#  2  10.0.0.1        ISP 閘道
#  3  ...             骨幹節點

TTL（Time To Live）的存在是為了防止路由迴圈讓封包永生不死 —— 分散式系統的每個協定都要回答「資料丟了怎麼辦」與「資料繞圈了怎麼辦」。

埠號：一台機器上的多個服務#

IP 找到機器，埠號找到機器上的程序：

埠 服務
80 HTTP
443 HTTPS
22 SSH
3000 開發用（Node 常用）
\[ \text{完整的通訊端點} = \text{IP 位址} : \text{埠號} \quad \text{（即 Socket，見第 3 章）} \]

習題#

  1. 為什麼 NAT 會阻礙 P2P 連線？這與 WebRTC 的設計有何關聯？
  2. 說明 CIDR 如何讓骨幹路由表維持在可管理的規模。
  3. 用 traceroute 追蹤一個國外網站，解釋每一跳的 IP 屬於誰。