网络协议底层原理（二）：Mac地址、IP地址、子网掩码、网段、子网划分

一、Mac地址

• 1. 每一个网卡都会有一个6字节的Mac地址（Media Access Control Address），每一个Mac地址都是全球唯一的，固化在了网卡的ROM中，遵守IEEE802标准

• 2. Mac地址前三个字节是组织唯一标识符，是IEEE管理机构分配给厂商的；后三个字节是网络接口标识符，是厂商自行分配的，如下所示

     
     
     Mac地址的组成.png
• 3. Mac地址在不同操作系统下的，格式不同，如下所示，当6个字节48位全是1时，代表广播地址，即FF-FF-FF-FF-FF-FF

Windows : 40-55-82-0A-8C-6D
Linux、Android、Mac、iOS: 40:55:82:0A:8C:6D
Packet Tracer: 4055.820A.8C6D
广播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF

• 4. 查询本机Mac地址的方法，如下所示：

Windows下输入命令：ipconfig -all
Mac下输入命令：ifconfig

• 5. 我们知道计算机想要通讯，不但要知道对方的IP地址，还要知道对方的Mac地址，IP地址一般对方会提供，Mac地址一般是通过发送ARP广播来获取的，ARP广播获取成功后会缓存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，属于动态缓存，相关命令如下所示，（ARP是地址解析协议，可以通过IP获取Mac地址）

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]  ： 增加一条静态缓存，这是静态缓存，存储时间比较久

二、IP地址

• 1. IP地址全称是Internet Protocol Address，互联网上每一个主机都有一个IP地址，最初是IPv4，占用4个字节，32位，已于2019年用完，后来发展为IPv6，占用16个字节，我们先研究IPv4，其组成如下所示：
     
     IPv4的4个字节32位.png
• 2. IP地址由两部分组成：网络ID + 主机ID，我们可以通过子网掩码得知一个IP地址的网络ID和主机ID是什么，子网掩码其实就是说明IP地址中的哪部分是网络ID，哪部分是主机ID的，例如：IP地址是192.168.10.12/24，后面的/24就是子网掩码，说明IP地址的前24位是网络ID，剩下的就是主机ID，如下所示：

IP地址是：192.168.10.12/24
子网掩码是：/24
网络ID是前24位，也就是：192.168.10.0 （后面位数全部用0补齐）
主机ID是最后8位，也就是12，最后8位代表了一个范围：0~255，也就是说这个网段中，最多可以共存254个IP地址，也就是最多共存255个主机

• 3. 我们常说的网段，其实就是某一段IP地址的范围，所谓的同一个网段，就是用IP地址与子网掩码做了一个按位与&运算后得出一个值，两个IP地址的的得出来的值相同，就认为这两个IP地址是在同一个网段里；这里计算有个小技巧：任何值与 1 按位与就是这个值本身，任何值与 0 按位与都是0，如下所示：

IP地址是：192.168.10.12/24
网段就是：192.168.10.12 & 255.255.255.0 = 192.168.10.0
计算过程如下，任何值与1`按位与`就是这个值本身，任何值与0`按位与`都是0
   1100 0000 1010 1000 0000 1010 0000 1100 
&  1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000
=  1100 0000 1010 1000 0000 1010 0000 0000 
转成十进制就是：192.168.10.0

• 4.计算机和其他设备通讯前，会先判断目标主机和自己是否在同一个网段中：
  • 如果在同一个网段中，则不需要路由器转发
  • 如果不是同一个网段，就需要路由器进行转发

三、IP地址的分类

• 1. IP地址按照网络ID和主机ID所占的位数不同进行分类，一般可分为：A类、B类、C类、D类、E类，其中D类以1110开头，为多播地址；E类1111开头，保留为今后使用；只有A、B、C类地址才能分配给主机，如下所示：

A类、B类、C类IP地址.png

• 2. 主机ID全是0，代表主机所在的网段；主机ID全是1，代表主机所在网段的全部主机，也就会广播
• 3. A类地址，前8位为网络ID，后24位为主机ID，如下图所示，但是由于D类和E类所占的保留位不能用，所以A类地址的网络ID的第一位必须为0，而且127是保留字段也不能用，所以A类地址的网络ID的取值范围是 1 ~ 126；
  • A类地址的主机ID的取值范围都是 0 ~ 255，所以A类IP地址的最大主机是：256 * 256 * 256 - 2 = 16777214，也就是每个A类网络最多可以容纳16777214个IP

A类地址.png

• 4. B类地址，前16位为网络ID，后16位为主机ID，如下图所示，网络ID中，第1部分取值范围是128 ~ 191，第2部分取值范围是0 ~ 255；主机ID中，第3、第4部分取值范围都是是0 ~ 255，也就是说每个B类网络最多能容纳的主机数是256 * 256 - 2 = 65534

B类地址

• 5. C类地址，前24位为网络ID，后8位为主机ID，如下图所示，网络ID中，第1部分取值范围是192 ~ 223，第2、第3部分取值范围是0 ~ 255；主机ID中，第4部分取值范围都是是0 ~ 255，也就是说每个C类网络最多能容纳的主机数是256 - 2 = 254

C类地址.png

• 6. D类地址，以1110开头，没有子网掩码，用于多播地址，如下图所示，第1部分取值范围是224 ~ 239

D类地址

• 7. E类地址，以1111开头，没有子网掩码，保留为今后使用，如下图所示，第1部分取值范围是240 ~ 255

E类地址

四、子网划分

• 1. 子网掩码我们经常用CIDR来表示，CIDR全称是无类别域间路由，其实很简单，就是IP地址后面跟/数字，如下所示，/后面的数字代表子网掩码的位数，也就是网络ID所占的位数，例如：/24就代表IP地址的前24位是网络ID，因为IP地址一共32位，所以后面8位就是网络ID

192.168.1.100/24，代表子网掩码有24个1，也就是255.255.255.0
192.168.1.100/16，代表子网掩码有16个1，也就是255.255.0.0
192.168.1.100/8， 代表子网掩码有8个1， 也就是255.0.0.0

• 2. 为什么要进行子网划分？当我们需要让500台主机在同一个网段内时，因为C类网段最多有254个主机数，不够用，所以就需要分配一个B类网段，而B类网段的主机数是65534个，远远超过了500个，多了65034个空闲的IP地址，极大的浪费了资源，所以这个时候，我们就需要进行合理的子网划分
• 3. 子网划分就是：借用主机位作为子网位，划分出多个子网，还是上面这个例子，我们继续用B类地址，但是让前31位作为网络ID，后9位作为主机ID，这样主机数就剩下510个了，刚好满足我们的需求，也不会浪费IP地址了
• 4. 其实子网就是把子网掩码往右移动，使主机ID的一部分变成了网络ID，每往右挪动一位，就会使主机ID的数量缩小二分之一；
  • 与此对应的还有超网，超网就是把主机ID的位数往左移动，使网络ID的一部分变成了主机ID，每往左挪动一位，就会使主机ID的数量变大2倍；
• 5. 如何判断一个网段是子网还是超网？

  • (1). 首先看网段类型是A类、B类还是C类，主要通过IP取值范围来区分，默认情况下，A类的子网掩码是8位，B类是16位，C类是24位；

  • (2). 然后如果该网段的子网掩码比默认子网掩码多，就是子网；如果比默认子网掩码少，就是超网；

  • (3). 比如：25.100.0.0/16是一个A类网段的子网；200.100.0.0/16就是C类网段的超网