Отвечаю СТРОГО на заданные вопросы.
Кто отвечает за выдачу IP-адреса абоненту провайдера?
Провайдер.
Если адрес статический, то конкретно - администратор провайдера, выдающий документ с перечнем настроек для подключения.
Если адрес динамический - то DHCP-сервер провайдера.
Каким образом гарантируется, что один IP адрес не будет выдан двум и более устройствам?
В случае статического адреса - только правильная регистрация и внимательность. Ну и дисциплина клиента. Дополнительной страховкой является L3-ограничение на клиентском порте.
В случае динамического адреса - алгоритмы работы DHCP-сервера.
Что принимает решение, куда отправить интернет-пакет?
Каждый маршрутизирующий узел принимает решение самостоятельно. А основой для принятия решения является актуальная для текущего пакета таблица маршрутизации.
Как выстраиваются цепочки маршрутизации?
Никак. Каждый узел выполняет маршрутизацию абсолютно независимо.
Возможно ли изолировать отдельный сегмент интернета, не нарушив общую маршрутизацию?
Да. Правда, при этом можно формально развалить один интернет на два полу-интернета, но маршрутизацию это никак не нарушит, просто часть узлов станет недостижима.