如果让你设计一个全球网络，第一步是什么？答案是：给每台设备分配一个唯一地址。但 IPv4 地址只有 32 位，能表示 2^32 ≈ 43 亿个地址。听起来很多，但 2025 年全球联网设备已经超过 200 亿台。43 亿根本不够分。
IPv4 的设计者（1970 年代）显然低估了互联网的规模。1981 年 RFC 791 发布 IPv4 时，全球计算机数量才几万台。没人想到 40 年后连冰箱、灯泡都要 IP。
地址不够用是 IPv4 的根本困境。围绕这个困境，诞生了一整套 IP 协议族：子网划分（CIDR）、网络地址转换（NAT）、私有地址、IPv6。下面我们从"为什么要有 IP 地址"开始，一步步走完这套体系。
1990 年代初，互联网开始商业化。中国第一批网民拿到的不是公网 IP，而是 10.0.0.0/8 这种私有地址。运营商出口设备做一件事：把内部私有 IP 翻译 成公网 IP，再把外网回来的包翻译回去。用户的电脑不知道这件事，外部服务器也以为在跟一个普通公网 IP 通信。
这就是 NAT（Network Address Translation）——网络地址转换。它是 IPv4 枯竭的"创可贴"，让互联网多撑了 20 多年。今天中国家庭宽带 100% 是 NAT，企业出口 90% 是 NAT。如果没 NAT，IPv4 早就用完了，IPv6 会被迫提前 10 年普及。
把数据链路层想象成"两台相邻设备之间的对话"，物理层想象成"线缆里跑的电子"。那网络层要解决的问题是：跨越多个网络，把一个包从北京送到纽约。
你打开 https://www.example.com 看到页面，背后数据可能跨了 15 个路由器、3 个大洲、几千公里光缆。每一个路由器在网络层做决策：下一跳给谁？走哪条路？这些决策合起来就是网络层的全部工作。
网络层要解决三个核心问题：
假设全球有 10 万台路由器，每台连着几个网络。路由器 A 知道它的直连网络是 X、Y、Z，但它不知道北京的用户怎么去纽约。这件事没有人能预先知道——网络拓扑一直在变（新运营商上线、链路故障、设备维护）。
如果让你设计一套机制让全球路由器能"互相学习"到达信息，你会怎么设计？
这是路由协议要解决的核心问题。从 1980 年代开始，网络工程师们想了 3 种主流方案：
