最简单的网络可以想象成单线的总线，各个计算机可以通过向总线发送分组以互相通信。但随着网络中的计算机数目增长，这就很不可行了，会产 生许多问题：
1 、带宽资源耗尽。
2 、每台计算机都浪费许多时间处理无关的广播数据。
3 、网络变得无法管理，任何错误都可能导致整个网络瘫痪。
4 、每台计算机都可以监听到其他计算机的通信。
把网络分段可以解决这些问题，但同时你必须提供一种机制使不同网段的计算机可以互相通信，这通常涉及到在一些 ISO 网络协议层选择性地在网段间传送数据，我们来看一下网络协议层和路由器的位置。
我们可以看到，路由器位于网络层。本文假定网络层协议为 IPv4 ，因为这是最流行的协议，其中涉及的概念与其他网络层协议是类似的。
一、路由与桥接
路由相对于 2 层的桥接 / 交换是高层的概念，不涉及网络的物理细节。在可路由的网络中，每台主机都有同样的网络层地址格式（如 IP 地址），而无论它是运行在以太网、令牌环、 FDDI 还是广域网。网络层地址通常由两部分构成：网络地址和主机地址。
网桥只能连接数据链路层相同（或类似）的网络，路由器则不同，它可以连接任意两种网络，只要主机使用的是相同的网络层协议。
二、连接网络层与数据链路层
网络层下面是数据链路层，为了它们可以互通，需要“粘合”协议。 ARP （地址解析协议）用于把网络层 (3 层 ) 地址映射到数据链路层 (2 层 ) 地址， RARP( 反向地址解析协议 ) 则反之。
虽然 ARP 的定义与网络层协议无关，但它通常用于解析 IP 地址；最常见的数据链路层是以太网。因此下面的 ARP 和 RARP 的例子基于 IP 和以太网，但要注意这些概念对其他协议也是一样的。
1 、地址解析协议
网络层地址是由网络管理员定义的抽象映射，它不去关心下层是哪种数据链路层协议。然而，网络接口只能根据 2 层地址来互相通信， 2 层地址通过 ARP 从 3 层地址得到。
并不是发送每个数据包都需要进行 ARP 请求，回应被缓存在本地的 ARP 表中，这样就减少了网络中的 ARP 包。 ARP 的维护比较容易，是一个比较简单的协议。
2 、简介
如果接口 A 想给接口 B 发送数据，并且 A 只知道 B 的 IP 地址，它必须首先查找 B 的物理地址，它发送一个含有 B 的 IP 地址的 ARP 广播请求 B 的物理地址，接口 B 收到该广播后，向 A 回应其物理地址。
注意，虽然所有接口都收到了信息，但只有 B 回应该请求，这保证了回应的正确且避免了过期的信息。要注意的是，当 A 和 B 不在同一网段时， A 只向下一跳的路由器发送 ARP 请求，而不是直接向 B 发送。
下图为接收到 ARP 分组后的处理，注意发送者的 <IP address, hardware address> 对被存到接收 ARP 请求的主机的本地 ARP 表中，一般 A 想与 B 通信时， B 可能也需要与 A 通信。
三、 IP 地址
在可路由的网络层协议中，协议地址必须含有两部分信息：网络地址和主机地址。存贮这种信息最明显的方法是用两个分离的域，这样我们必须考虑到两个域的最大长度，有些协议 ( 如 IPX) 就是这样的，它在小型和中型的网络里可以工作的很好。
另一种方案是减少主机地址域的长度，如 24 位网络地址、 8 位主机地址，这样就有了较多的网段，但每个网段内的主机数目很少。这样一来，对于多于 256 个主机的网络，就必须分配多个网段，其问题是很多的网络给路由器造成了难以忍受的负担。
IP 把网络地址和主机地址一起包装在一个 32 位的域里，有时主机地址部分很短，有时很长，这样可以有效利用地址空间，减少 IP 地址的长度，并且网络数目不算多。有两种将主机地址分离出来的方法：基于类的地址和无类别的地址。
1 、主机和网关
主机和网关的区别常产生混淆，这是由于主机意义的转变。在 RFC 中 (1122/3 和 1009) 中定义为：
主机是连接到一个或多个网络的设备，它可以向任何一个网络发送和从其接收数据，但它从不把数据从一个网络传向另一个。
网关是连接到多于一个网络的设备，它选择性的把数据从一个网络转发到其它网络。
换句话说，过去主机和网关的概念被人工地区分开来，那时计算机没有足够的能力同时用作主机和网关。主机是用户工作的计算机，或是文件服务器等。现代的计算机的能力足以同时担当这两种角色，因此，现代的主机定义应该如此：
主机是连接到一个或多个网络的设备，它可以向任何一个网络发送和从其接收数据。它也可以作为网关，但这不是其唯一的目的。
路由器是专用的网关，其硬件经过特殊的设计使其能以极小的延迟转发大量的数据。然而，网关也可以是有多个网卡的标准的计算机，其操作系统的网络层有能力转发数据。由于专用的路由硬件较便宜，计算机用作网关已经很少见了，在只有一个拨号连接的小站点里，还可能使用计算机作为非专用的网关。
2 、基于类的地址
最初设计 IP 时，地址根据第一个字节被分成几类：
0: 保留
1-126: A 类 ( 网络地址 :1 字节，主机地址 :3 字节 )
127: 保留
128-191: B 类 ( 网络地址 :2 字节，主机地址 :2 字节 )
192-223: C 类 ( 网络地址 :3 字节，主机地址 :1 字节 )
224-255: 保留
3 、子网划分
虽然基于类的地址系统对因特网服务提供商来说工作得很好，但它不能在一个网络内部做任何路由，其目的是使用第二层 ( 桥接 / 交换 ) 来导引网络中的数据。在大型的 A 类网络中，这就成了个特殊的问题，因为在大型网络中仅使用桥接 / 交换使其非常难以管理。在逻辑上其解决办法是把大网络分割成若干小的网络，但在基于类的地址系统中这是不可能的。为了解决这个问题，出现了一个新的域：子网掩码。子网掩码指出地址中哪些部分是网络地址，哪些是主机地址。在子网掩码中，二进制 1 表示网络地址位，二进制 0 表示主机地址位。传统的各类地址的子网掩码为：
A 类： 255.0.0.0
B 类： 255.255.0.0
C 类： 255.255.255.0
如果想把一个 B 类网络的地址用作 C 类大小的地址，可以使用掩码 255.255.255.0 。
用较长的子网掩码把一个网络分成多个网络就叫做划分子网。要注意的是，一些旧软件不支持子网，因为它们不理解子网掩码。例如 UNIX 的 routed 路由守护进程通常使用的路由协议是版本 1 的 RIP ，它是在子网掩码出现前设计的。
上面只介绍了三种子网掩码： 255.0.0.0 、 255.255.0.0 和 255.255.255.0 ，它们是字节对齐的子网掩码。但是也可以在字节中间对其进行划分，这里不进行详细讲解，请参照相关的 TCP/IP 书籍。
子网使我们可以拥有新的规模的网络，包括很小的用于点到点连接的网络（如掩码 255.255.255.252 ， 30 位的网络地址， 2 位的主机地址：两个主机的子网），或中型网络（如掩码 255.255.240.0 ， 20 位网络地址， 12 位主机地址： 4094 个主机的子网）。
注意 DNS 被设计为只允许字节对齐的 IP 网络 ( 在 in-addr.arpa. 域中 ) 。
4 、超网 (supernetting)
超网是与子网类似的概念 --IP 地址根据子网掩码被分为独立的网络地址和主机地址。但是，与子网把大网络分成若干小网络相反，它是把一些小网络组合成一个大网络 -- 超网。
假设现在有 16 个 C 类网络，从 201.66.32.0 到 201.66.47.0 ，它们可以用子网掩码 255.255.240.0 统一表示为网络 201.66.32.0 。但是，并不是任意的地址组都可以这样做，例如 16 个 C 类网络 201.66.71.0 到 201.66.86.0 就不能形成一个统一的网络。不过这其实没关系，只要策略得当，总能找到合适的一组地址的。
5 、可变长子网掩码 (VLSM)
如果你想把你的网络分成多个不同大小的子网，可以使用可变长子网掩码，每个子网可以使用不同长度的子网掩码。例如：如果你按部门划分网络，一些网络的掩码可以为 255.255.255.0( 多数部门 ) ，其它的可为 255.255.252.0( 较大的部门 ) 。
6 、无类别地址 (CIDR)
因特网上的主机数量增长超出了原先的设想，虽然还远没达到 232 ，但地址已经出现匮乏。 1993 年发表的 RFC1519-- 无类别域间路由 CIDR(Classless Inter-Domain Routing)-- 是一个尝试解决此问题的方法。 CIDR 试图延长 IPv4 的寿命，与 128 位地址的 IPv6 不同，它并不能最终解决地址空间的耗尽，但 IPv6 的实现是个庞大的任务，因特网目前还没有做好准备。 CIDR 给了我们缓冲的准备时间。
基于类的地址系统工作的不错，它在有效的地址使用和少量的网络数目间做出了较好的折衷。但是随着因特网意想不到的成长出现了两个主要的问题：
已分配的网络数目的增长使路由表大得难以管理，相当程度上降低了路由器的处理速度。
僵化的地址分配方案使很多地址被浪费，尤其是 B 类地址十分匮乏。
为了解决第二个问题，可以分配多个较小的网络，例如，用多个 C 类网络而不是一个 B 类网络。虽然这样能够很有效地分配地址，但是更加剧了路由表的膨胀（第一个问题）。
在 CIDR 中，地址根据网络拓扑来分配。连续的一组网络地址可以被分配给一个服务提供商，使整组地址作为一个网络地址（很可能使用超网技术）。例如：一个服务提供商被分配以 256 个 C 类地址，从 213.79.0.0 到 213.79.255.0 ，服务提供商给每个用户分配一个 C 类地址，但服务提供商外部的路由表只通过一个表项 -- 掩码为 255.255.0.0 的网络 213.79.0.0-- 来分辨这些路由。
这种方法明显减少了路由表的增长， CIDR RFC 的作者估计，如果 90% 的服务提供商使用了 CIDR ，路由表将以每 3 年 54% 的速度增长，而如果没有使用 CIDR ，则增长速度为 776% 。如果可以重新组织现有的地址，则因特网骨干上的路由器广播的路由数量将大大减少。但这实际是不可行的，因为将带来巨大的管理负担。
四、路由
1、路由表
如果一个主机有多个网络接口，当向一个特定的IP地址发送分组时，它怎样决定使用哪个接口呢？答案就在路由表中。来看下面的例子：
目的
子网掩码
网关
标志
接口
201.66.37.0
255.255.255.0
201.66.37.74
U
eth0
201.66.39.0
255.255.255.0
201.66.39.21
U
eth1
主机将所有目的地为网络201.66.37.0内主机(201.66.37.1-201.66.37.254)的数据通过接口eth0(IP地址为201.66.37.74)发送，所有目的地为网络201.66.39.0内主机的数据通过接口eth1(IP地址为201.66.39.21)发送。标志U表示该路由状态为“up”（即激活状态）。对于直接连接的网络，一些软件并不象上例中一样给出接口的IP地址，而只列出接口。
此例只涉及了直接连接的主机，那么目的主机在远程网络中如何呢？如果你通过IP地址为201.66.37.254的网关连接到网络73.0.0.0，那么你可以在路由表中增加这样一项：
