网络协议从入门到底层原理（1） — 基本概念、MAC地址、IP地址、子网划分、超网

互联网（internet）

数据是如何从一个设备传递到另一个设备的？
答：网络协议

为什么要学习网络协议

互联网、移动互联网、物联网，都离不开网络协议：

• 最熟悉的网络协议：HTTP
• 为了满足各种需求，有各式各样的网络协议（HTTPS、SMTP、MQTT、RTMP等）

网络协议方面的面试题目近年来要求提高了：

• TCP和UDP的区别？说一下它们的报文格式？
• TCP的流量控制和和拥塞控制？TCP如何实现可靠性传输？
• 为什么连接是3次握手，关闭是4次挥手？
• 7层模型与4层模型的区别？每一层的作用是什么？
• 交换机与路由器的区别？

客户端-服务器

跨平台的原理（Java、C++）

Java跨平台的原理：

解释型语言跨平台的原理与 Java 类似：例如 JavaScript，甚至不需要经过编译，有浏览器即可解析。

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C++跨平台的原理：使用平台相关的编译器生成对应平台的可执行文件

网络互连模型（OSI参考模型）

什么是协议？为什么要有协议？

• 协议就是通用的标准。
  如果没有一个国际通用的标准，那么各大公司按照自己的标准来，相互之间的交互就会很麻烦。比如我编写的代码在微软的服务器可以运行，但是要在苹果的服务器运行又需要重新编写…

为了更好地促进互联网络的研究和发展，国际标准化组织 ISO 在 1985 年制定了网络互连模型 OSI 参考模型(Open System Interconnect Reference Model)，具有7层结构。

实际上 OSI参考模型(7层) 更偏理论，而 TCP/IP 协议(4层) 在才是在实际中使用的协议，而为了研究和学习计算机网络，又常将之划分为 5层。

请求过程：不管什么协议都是经过下列的 包装 + 解包 的过程。

计算机之间的通信基础

1、需要得知对方的 IP地址

2、最终是根据 MAC地址（网卡地址），输送数据到网卡，被网卡接收

• 如果网卡发现数据的目标MAC地址是自己，就会将数据传递给上一层进行处理
• 如果网卡发现数据的目标MAC地址不是自己，就会将数据丢弃，不会传递给上一层

计算机之间的连接方式 - 网线直连

需要用 交叉线（不是直通线）

ARP协议的作用：已知 IP地址，通过 广播 获取 MAC地址。

为什么右边出现3个ARP包，实际上是 一次完整的发送请求，接收响应的过程。

计算机之间的连接方式 - 同轴电缆(Coaxial)

注意：同轴电缆只要有一个地方线断了，整个线路都瘫痪了。

计算机之间的连接方式 - 集线器(Hub)

集线器相比同轴电缆唯一的优点就是：哪怕连着集线器的某一个设备中间线路出问题，不会影响到连着集线器的其他设备。

计算机之间的连接方式 - 网桥（Bridge）

所谓隔绝冲突域是通过：记录设备的MAC地址在左还是在右。

例如，6向7发数据包，
当6发出请求ARP广播时，网桥会记录6的MAC地址在左；
当7发出响应ARP广播时，网桥会记录7的MAC地址在左。

计算机之间的连接方式 - 交换机（Switch）

若全球所有设备都用交换机连接：
1、他们必然处于同一网段，因此 IP地址可能会不够用
2、即使使用交换机，第一次发送数据包仍然需要ARP广播，耗费大量时间。
3、形成广播风暴，只要有一个设备发送ARP广播，全球设备都能收到

计算机之间的连接方式 - 路由器（Router）

主机在发数据之前，首先会判断目标主机的IP地址跟它是否在同一个网段：

1. 在同一个网段：ARP广播、通过 交换机\集线器 传递数据
2. 不在同一个网段：通过路由器转发数据

网线直连、同轴电缆、集线器、网桥、交换机

• 连接的设备必须在同一网段
• 连接的设备处在同一广播域

路由器

• 可以在不同网段之间转发数据
• 隔绝广播域

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
  

OUI 查询：

• http://standards-oui.ieee.org/oui.txt
• https://mac.bmcx.com/

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

注：当48位全为1时，代表广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF

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。。。。

MAC地址的获取（arp -a）

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

• 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），过期就自动删除

arp -a [主机地址]：查看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，存储时间较久，不同系统的存储时间不同）

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）

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

主机所在的网段 = 子网掩码 & IP地址
例如：

IP地址：192.168.1.10
子网掩码：255.255.255.0

	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.

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
• 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

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 = 2²⁴–2 = 16777214

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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

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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

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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

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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
• 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：

本来有一个C类网段: 192.168.0.0/24

划分成两个子网后:

A子网: 192.168.0.0/25 子网掩码: 255.255.255.128
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
可用IP地址: 192.168.0.129 ~ 192.168.0.254 共 126 个

等分成 2 个子网：

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。

下面这样划分就不是一个网段了，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）

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

子网合并的规律

假设 n 是 2 的 k 次幂（k≥1），子网掩码左移 k 位能够将能够合并 n 个网段

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。

• 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

首先看该网段的类型，是A类网络、B类网络、C类网络？

• A类子网掩码的位数是8（255.0.0.0）
• B类子网掩码的位数是16（255.255.0.0）
• C类子网掩码的位数是24（255.255.255.0）

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，则是超网

例如：
判断 25.100.0.0/16 是子网还是超网：

• 根据 25 判断出这是个 A 类网络，默认子网掩码 8 位
• 由于该网段子网掩码 16 位，比默认多，所以是子网

判断 200.100.0.0/16 是子网还是超网：

• 根据 200 判断出这是个 C 类网络，默认子网掩码 24 位
• 由于该网段子网掩码 16 位，比默认少，所以是超网