网络协议 一 MAC地址、IP地址、子网掩码

目录

• MAC地址（40-55-82-0A-8C-6D）
  • MAC地址的表示格式（Windows、Linux）
  • MAC地址操作（ipconfig /all）
  • MAC地址的获取（arp -a）
  • ARP（Address Resolution Protocol）
  • ICMP（Internet Control Message Protocol）
• IP地址（127.0.0.1）
  • IP地址的组成（网络ID + 主机ID）
  • IP地址的分类（A类、B类、C类、D类、E类）
  • 子网掩码的CIDR表示方法（192.168.1.100/24）
• 子网划分
  • 为什么要进行子网划分？
  • 子网划分
  • 等长子网划分 - C类子网划分（2、4、8等分）
  • 等长子网划分 - A、B类子网划分
  • 子网划分实践
  • 变长子网划分
  • 思考题：双方子网掩码不同，计算对方所处网段
• 超网 - 合并网段
  • 合并4个网段
  • 子网合并的规律
• 判断一个网段是子网还是超网

MAC地址

40-55-82-0A-8C-6D

• 每个网卡都有一个 6字节(48bit) 的 MAC地址 (Media Access Control Address)
• MAC地址全球唯一，固化在网卡的ROM中，由 IEEE802 标准规定
  • 前3字节：OUI (Organizationally Unique Identifier)，组织唯一标识符 由 IEEE 的注册管理机构分配给厂商
  • 后3字节：网络接口标识符 由厂商自行分配

MAC地址的表示格式（Windows、Linux）

• Windows 40-55-82-0A-8C-6D
• Linux、Android、Mac、iOS（类Unix操作系统） 40:55:82:0A:8C:6D
• Packet Tracer 4055.820A.8C6D

获取MAC地址

• 当48位全为1时, 代表广播地址
  • FF-FF-FF-FF-FF-FF
• 当不知道对方主机的MAC地址时, 可以通过发送ARP广播获取对方的MAC地址 (前提知道对方的IP地址)
  • 获取成功后, 会缓存IP地址, MAC地址的映射信息, 俗称 ARP缓存
  • 通过ARP广播获取的MAC地址, 属于动态(dynamic)缓存
  • 存储时间比较短(默认是2分钟), 过期了就自动删除 (不同操作系统的存储时间不同)

相关命令

• arp -a[主机地址]: 查询ARP缓存
• arp -d[主机地址]: 删除ARP缓存
• arp -s 主机地址 MAC地址: 增加一条缓存信息(这是静态缓存, 存储时间比较久, 不同系统的存储时间不同)

MAC地址操作（ipconfig /all）

• 查看MAC地址：ipconfig /all
• 修改MAC地址：更改适配器选项-属性-配置-高级-网络地址（填写的时候需要把 减号- 去掉） 注： 有时可以通过修改 MAC地址蹭网

ARP（Address Resolution Protocol）

• ARP (Address Resolution Protocol)，地址解析协议
  • 作用：通过 IP地址 获取 MAC地址
• RARP (Reverse Address Resolution Protocol)，逆地址解析协议
  • 使用与ARP相同的报头结构
  • 作用与ARP相反，用于将MAC地址转换为IP地址
  • 后来被 BOOTP、DHCP 所取代

ICMP（Internet Control Message Protocol）

• ICMP (Internet Control Message Protocol)，互联网控制消息协议
  • IPv4中的ICMP被称作 ICMPv4，IPv6中的ICMP则被称作 ICMPv6
  • 通常用于返回错误信息 (比如ping失败后的提示,超时等)
    • 比如 TTL值过期、目的不可达
  • ICMP的错误消息总是包括了源数据并返回给发送者

IP地址（127.0.0.1）

IP地址 (Internet Protocol Address)：互联网上的每一个主机都有一个IP地址

• 最初是 IPv4 版本，32bit（4字节），2019年11月25日，全球的IP地址已经用完
• 后面推出了 IPv6 版本，128bit（16字节）
• 我们在学习中讨论的都是 IPV4

IP地址的组成（网络ID + 主机ID）

网络ID相同, 表示在同一个网段。

IP地址 由2部分组成：网络标识（网络ID）、主机标识（主机ID）

• 通过子网掩码（subnet mask）可以得知 网络ID 、主机ID 网段的计算方式: 主机所在的网段 = IP地址 & 子网掩码

例如：

IP地址：192.168.1.10				注意: 192开头就可以判断是C类ip地址,C类的子网
子网掩码：255.255.255.0				掩码一般是 255.255.255.0, 换成二进制24个1

	1100 0000 . 1010 1000 . 0000 0001 . 0000 1010
&	1111 1111 . 1111 1111 . 1111 1111 . 0000 0000
----------------------------------------------------
	1100 0000 . 1010 1000 . 0000 0001 . 0000 0000

网段：192.168.1.0  

网段是由子网掩码计算得出，只有IP地址无法得知网段。

IP地址：130.168.1.10
子网掩码：255.255.0.0
网段：130.168.0.0

该网段最多有 256*256-2 个IP地址, -2是因为: 全0代表网段,全1代表广播
网段和广播无法分配IP地址.

注意: 计算机和其他计算机通信前，会先判断目标主机和自己是否在同一网段：

• 同一网段：不需要由路由器进行转发 (通过交换机组局域网即可)
• 不同网段：交由路由器进行转发

IP地址的分类（A类、B类、C类、D类、E类）

注：判断IP地址的类别只要看第一部分即可。

只有 A\B\C 类地址才能分配给主机

• 主机ID为 全0，表示主机所在的网段，如 192.168.1.0
• 主机ID为 全1，表示给主机所在网段的全部主机（广播），如 192.168.1.255
  • 可以尝试用ping给某个网段的全部主机发数据

A类地址：默认子网掩码是 255.0.0.0 网络ID

• 0 不能用，127 作为保留网段。
• 其中 127.0.0.1 是 本地环回地址（Loopback），代表本机地址
• 可以分配给主机的第1部分的取值范围是：1~126 (因为去掉全0和全1的00000000,11111111), 也就是去掉0和127

主机ID

• 第2、3、4部分的取值范围是：0~255
• 每个A类网络能容纳的最大主机数是：256*256*256–2 = 2^24–2 = 16777214

B类地址：默认子网掩码是 255.255.0.0

网络ID

• 第1部分的取值范围是：128~191
• 第2部分的取值范围是：0~255

主机ID

• 第3、4部分的取值范围是：0~255
• 每个B类网络能容纳的最大主机数是：256*256-2 = 216-2 = 65534

C类地址：默认子网掩码是 255.255.255.0

目前用的最多的是 C类地址！

网络ID

• 第1部分的取值范围是：192~223
• 第2、3部分的取值范围是：0~255

主机ID

• 第4部分的取值范围是：0~255
• 每个C类网络能容纳的最大主机数是：256-2 = 254

主机号 全为0, 就表示为 网络号(网段)

D类地址：没有子网掩码，用于多播（组播）地址 以 1110 开头，多播地址 第一部分取值是：224~239

E类地址：以 1111 开头，保留为今后使用 第一部分取值是：240~255

子网掩码的CIDR表示方法（192.168.1.100/24）

CIDR (Classless Inter-Domain Routing)，无类别域间路由

子网掩码的CIDR表示方法

• 192.168.1.100/24，代表子网掩码有24个1，也就是 255.255.255.0 --> 11111111.11111111.11111111.00000000
• 123.210.100.200/16，代表子网掩码有16个1，也就是 255.255.0.0

计算工具：https://www.sojson.com/convert/subnetmask.html

子网划分 为什么要进行子网划分？

如果需要让 200 台主机在同一个网段内，可以分配一个 C类网段，比如192.168.1.0/24

• 共 254 个可用IP地址：192.168.1.1 ~ 192.168.1.254
• 多出 54 个空闲的IP地址，这种情况并不算浪费资源

如果需要让 500 台主机在同一个网段内，那就分配一个 B类网段，比如191.100.0.0/16

• 共 65534 个可用IP地址：191.100.0.1 ~ 191.100.255.254
• 多出 65034 个空闲的IP地址，这种情况属于极大的浪费资源

如何尽量避免浪费IP地址资源？

• 合理进行 子网划分

子网划分

子网划分：借用 主机位 作子网位，划分出多个子网

• 等长子网划分：将一个网段等分成多个子网，每个子网的可用IP地址数量一样
• 变长子网划分：每个子网的可用IP地址数量可以是不一样的

子网划分器：http://www.ab126.com/web/3552.html

子网划分的步骤

1. 确定子网的子网掩码长度
2. 确定子网中第1个、最后1个主机可用的IP地址

等长子网划分 - C类子网划分（2、4、8等分）

例： 等分成 2 个子网：

本来有一个C类网段: 192.168.0.0/24  ---> C类IP的子网掩码一般为 255.255.255.0

划分成两个子网后: 向主机部分借一位充当网络ID

A子网: 192.168.0.0/25 子网掩码: 255.255.255.128 --> 1111111.1111111.1111111.10000000
		   192.168.0.(00000000) ~ 192.168.0.(01111111)
		   192.168.0.0 ~ 192.168.0.127
		   去掉全0,和全1, 所以 192.168.0.1 ~ 192.168.0.126
可用IP地址: 192.168.0.1 ~ 192.168.0.126 共 126 个

B子网: 192.168.0.128/25 子网掩码: 255.255.255.128
		   192.168.0.(10000000) ~ 192.168.0.(11111111)
		   192.168.0.128 ~ 192.168.0.255
		   去掉全0,和全1, 所以 192.168.0.129 ~ 192.168.0.254
可用IP地址: 192.168.0.129 ~ 192.168.0.254 共 126 个

等分成 4 个子网： 等分成 4 个子网的广播地址： 等分成 8 个子网：

等长子网划分 - A、B类子网划分

B类子网划分： A类子网划分 ：

子网划分实践

如此划分，他们还是属于同一个网段，可以直接 ping 通。

因为 /25, 表示25个1, 说明奖C类的子网掩码分成了两段, 一段为 1~126, 另一段为 129 ~ 254, 显然10和100在同一网段中。

下面这样划分就不是一个网段了，它们分别属于 192.168.0.0 和 192.168.0.128 网段，需要用路由器并设置网关才可以 ping 通。

变长子网划分

思考题：双方子网掩码不同，计算对方所处网段

问：下列两台计算机可以正常通信吗？ 答：不可以。计算机0 想要发送数据包，先判断计算机1是否和自己处于同一个网段，计算网段的方法是：IP地址 & 子网掩码，计算机0判断计算机1的网段为 192.168.10.10 & 255.255.255.0 = 192.168.10.0，而计算机0判断自身所处网段为 192.168.0.10 & 255.255.255.0 = 192.168.0.0，双方不处于同一网段，所以计算机0无法将数据包发给计算机1（不同网段的数据通信需要路由器）

拿自己的子网掩码去和目标ip计算是否在同一网段

解决方案：利用路由器。

超网 - 合并网段

超网：跟子网反过来，它是将多个连续的网段合并成一个更大的网段

需求：原本有200台计算机使用 192.168.0.0/24 网段，现在希望增加200台设备到同一个网段

• 200台在 192.168.0.0/24 网段，200台在 192.168.1.0/24 网段
• 合并 192.168.0.0/24、192.168.1.0/24 为一个网段：192.168.0.0/23 （子网掩码往左移动1位）

问：192.168.0.255/23 这个IP地址，可以分配给计算机使用么？

• 192.168.0.255/24 是广播，不能分配给计算机。
• 192.168.0.255/23 如下： 主机部分并不全为1，所以是可以分配给计算机使用的。

合并4个网段

子网掩码向左移动 2 位，可以合并 4 个网段 将 192.168.0.0/24、192.168.1.0/24、192.168.2.0/24、192.168.3.0/24 合并为192.168.0.0/22 网段

子网合并网段的规律

• 假设n是2的k次幂(k≥1)
  • 如果第一个网段的网络号能被n整除, 那么由它开始连续的n个网段, 能通过左移k位子网掩码进行合并
• 比如
  • 第一个网段的网络号以二进制0结尾，那么由它开始连续的2个网段，能通过左移1位子网掩码进行合并
  • 第一个网段的网络号以二进制00结尾，那么由它开始连续的4个网段，能通过左移2位子网掩码进行合并
  • 第一个网段的网络号以二进制000结尾，那么由它开始连续的8个网段，能通过左移3位子网掩码进行合并

判断一个网段是子网还是超网

• 首先看看该网段的类型，是A类网络，B类网络， C类网络?
  • 默认情况下，A类子网掩码的位数是8，B类子网掩码的位数是16，C类子网掩码的位数是24
• 然后
  • 如果该网段的子网掩码位数比默认子网掩码多, 就是子网
  • 如果该网段的子网掩码位数比默认子网掩码少, 就是超网
• 比如
  • 25.100.0.0/16是一个A类子网
  • 200.100.0.0/16是一个C类超网