在计算机网络中，子网掩码（Subnet Mask）是定义网络地址与主机地址边界的关键参数，它直接决定了IP数据包的选路（Routing）行为。本实验旨在通过模拟或实际网络环境，探究子网掩码的不同配置如何影响路由器的转发决策和数据包的传输路径。
一、实验原理
- IP地址与子网划分：一个IP地址（如IPv4）由网络部分和主机部分组成。子网掩码是一串与IP地址长度相同的二进制数（通常为32位），其中网络部分对应位为“1”，主机部分对应位为“0”。通过将IP地址与子网掩码进行逻辑“与”（AND）运算，可以得到该IP地址所在的网络地址（或子网地址）。
- 路由决策过程：当路由器收到一个需要转发的IP数据包时，会提取其目的IP地址。路由器将目的IP地址与自身路由表中每一条路由条目所关联的子网掩码分别进行“与”运算，得到目标网络地址。然后将此结果与路由条目中的目标网络地址进行比对。匹配的关键在于子网掩码的长度（即前缀长度或掩码中‘1’的位数）。掩码越长，定义的网络范围越精确（子网越小）。路由器遵循“最长前缀匹配”原则，即选择子网掩码最长（网络前缀最具体）的匹配项进行转发。
- 影响机制：子网掩码配置的不同，会改变设备（主机或路由器）对“本地网络”和“远程网络”的判定。如果目的IP地址与本机IP地址在同一个子网内（即网络地址相同），数据将通过链路层（如ARP获取MAC地址）直接交付；否则，数据包将被发送到默认网关（路由器）进行跨子网路由。
二、实验设计
实验目标：验证同一网段内，不同子网掩码配置会导致主机间通信被判定为跨子网通信，从而必须经过路由器转发（或导致通信失败）。
实验环境：
- 三台计算机（PC1, PC2, PC3），其中PC3配置为路由器（需开启IP转发功能）或使用一台物理路由器。
- 网络连接：PC1和PC2最初置于同一物理网络（如同一交换机下）。
- 网络配置软件（如Cisco Packet Tracer、GNS3或真实操作系统网络设置）。
实验步骤：
1. 初始配置（同子网通信）：
- 设置PC1 IP: 192.168.1.10， 子网掩码: 255.255.255.0
- 设置PC2 IP: 192.168.1.20， 子网掩码: 255.255.255.0
- 此时，PC1计算PC2的网络地址：192.168.1.20 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0，与自身网络地址（192.168.1.0）相同。
- 测试：从PC1 ping PC2，应能直接通信成功（无需经过网关）。
- 变更配置（异子网影响）：
- 更改PC2的子网掩码为: 255.255.255.224（即/27）。此时PC2的网络地址变为：192.168.1.20 & 255.255.255.224 = 192.168.1.0（计算后仍为192.168.1.0，但注意/27掩码下，192.168.1.0是一个包含32个地址的特定子网）。
- 更清晰地，更改PC2的IP为：192.168.1.100， 掩码保持/27 (255.255.255.224)。此时PC2的网络地址为：192.168.1.100 & 255.255.255.224 = 192.168.1.96。
- PC1的网络地址仍为：192.168.1.10 & 255.255.255.0 = 192.168.1.0。
- 分析：PC1判定PC2（192.168.1.100）的网络地址（192.168.1.96）与自身网络地址（192.168.1.0）不同，因此认为PC2不在同一子网。
- 测试：从PC1 ping 192.168.1.100。
- 情况A（无默认网关）：PC1发现目的地址不在本地网络，但又没有配置网关可以转发此数据包，因此通信会失败（可能返回“Destination host unreachable”或类似错误）。
- 情况B（配置网关并测试选路）：为PC1和PC2配置正确的默认网关（例如指向路由器PC3，地址为192.168.1.1）。此时，PC1会将发往PC2的ping包发送给网关PC3。PC3根据自身的路由表决定如何转发。如果PC3的路由表没有包含通往192.168.1.96/27子网的路由，或者其接口配置的子网掩码不匹配，数据包也可能无法正确送达PC2。这清晰地展示了子网掩码不匹配导致流量必须经过路由器，且路由器的路由表必须包含相应子网路由才能完成选路。
三、实验结果与分析
通过实验可以观察到：
- 当通信双方子网掩码配置一致且定义的网络地址相数据链路层直接通信。
- 当子网掩码配置不一致，导致双方计算出的网络地址不即使物理连接在同一线路上，系统也会认为目的主机在远程网络，从而启动路由转发流程。如果路由路径不存在或不正确，通信将中断。
- 这验证了子网掩码是IP层进行网络划分和选路决策的根本依据。不正确的子网掩码配置是网络连通性问题的常见根源。
四、实验结论
子网掩码通过定义IP地址中网络前缀的长度，从根本上决定了主机的网络归属感和路由器的转发逻辑。它不仅是划分子网的工具，更是控制数据流路径的关键。在网络规划与故障排查中，确保互访设备间子网掩码设置的一致性与合理性，是保障网络正常选路和通信的基础。本实验通过对比不同掩码下的通信行为，直观地揭示了子网掩码在IP选路中的核心作用。
