网络协议系列三 - MAC地址/IP地址/子网掩码

Posted 2021-06-26 1024星球

MAC/IP/子网掩码在网络中非常重要，只要有网络的地方必然都会涉及这三个概念。

一、MAC

每一个网卡都有一个6字节（48bit）的MAC地址（Media Access Control）。

• 全球唯一，固化在了网卡的ROM中，由IEEE802标准规定

  • 前3个字节：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
  • 后三个字节：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.51240.com/

1.1. MAC地址的表示格式

• Windows
  • 32-06-52-3C-4F-2E
• Linux、android、Mac、ios
  • 32:06:52:3C:4F:2E
• Packet Tracer
  • 3206.523C.4F2E
• 当48位全为1时，代表广播地址（给同一个网段的所有设备）
  • FF-FF-FF-FF-FF-FF

1.2. MAC地址操作

查看MAC地址（终端）：

• Windows：ipconfig
• Linux/Mac：ifconfig

有时可以通过修改MAC地址达到上网的目的（有些公司的内网路由器设定了MAC地址白名单，我司就是这样，手机都无法连接无线）。

1.3. MAC地址的获取

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2分钟），过期会自动删除。

当找不到对应MAC地址时会再次发送ARP广播，所以不需要担心更换网卡后无法上网的问题。

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）

二、IP

IP地址（Internet Protocol）：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）。

2.1. IP地址的组成

IP地址由2部分组成：网络标识（网络ID）、主机标识（主机ID）
同一网段的计算机，网络ID相同

通过子网掩码（subnet mask）可以计算出网络ID：IP地址 & 子网掩码

按位与（&）计算技巧：遇1就是原来的，遇0就是0。

案例一：

IP地址：192.168.1.10
子网掩码：255.255.255.0
计算网段：
  1100 0000.1010 1000.0000 0001.0000 1010 -> 192.168.1.10(10进制)
&
  1111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000 -> 255.255.255.0(10进制)
  --------------------------------------------------------------
= 1100 0000.1010 1000.0000 0001.0000 0000 -> 192.168.1.0(10进制)

192.168.1 代表网络ID，后面一部分代表主机ID。

案例二：

IP地址：192.168.1.10
子网掩码：255.255.0.0
计算网段：
  1100 0000.1010 1000.0000 0001.0000 1010 -> 192.168.1.10(10进制)
&
  1111 1111.1111 1111.0000 0000.0000 0000 -> 255.255.0.0(10进制)
  --------------------------------------------------------------
= 1100 0000.1010 1000.0000 0000.0000 0000 -> 192.168.0.0(10进制)

192.168 代表网络ID，后面两部分位代表主机ID。

注意：主机ID要去除全0和全255，因为0代表网段（例：192.168.0.0），255代表广播地址（例：192.168.255.255）。

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

2.2. IP地址的分类

2.2.1. 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。
• 所以，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 = 2的24次方 - 2 = 16777214

2.2.2. B类地址：默认子网掩码是255.255.0.0

网络ID：

• 可以分配给主机的
  • 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 = 2的16次方 - 2 = 65534

2.2.3. C类地址：默认子网掩码是255.255.255.0

网络ID：

• 可以分配给主机的
  • 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 = 2的8次方 - 2 = 254

2.2.4. D类地址：以1110开头，多播地址

D类地址没有子网掩码，用于多播（组播）地址。

第1部分取值范围是：224~239。

2.2.5. E类地址：以1111开头，保留为今后使用

E类地址保留为今后使用。

第1部分取值范围是：240~255。

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
• 主机ID为全1，表示主机所在网段的全部主机（广播）
• 可以尝试用ping给某个网段的全部主机发数据

三、子网掩码

3.1. CIDR

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

3.2. 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：借用主机位做子网位，划分出多个子网。

• 可分为：
  • 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地址数量是一样的。
    • 比如172.16.0.0/16划分4个子网段，每个段可用IP地址就是6553个。
  • 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。
    • 比如191.100.0.0/16划分3个子网段，第1段给512个IP地址，第2段给2048个IP地址，剩余的给最后一个网段。

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

子网划分的步骤：

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

3.2.1. 等长子网划分

等分成2个子网：

A子网：

• 网段：192.168.0.0
• 子网掩码：255.255.255.128/25
• 广播：192.168.0.127
• 主机范围：192.168.0.1 ~ 192.168.0.126

B子网：

• 网段：192.168.0.128
• 子网掩码：255.255.255.128/25
• 广播：192.168.0.255
• 主机范围：192.168.0.129 ~ 192.168.0.254

等分成4个子网：

A子网：

• 网段：192.168.0.0
• 子网掩码：255.255.255.192/26
• 广播：192.168.0.63
• 主机范围：192.168.0.1 ~ 192.168.0.62

B子网：

• 网段：192.168.0.64
• 子网掩码：255.255.255.192/26
• 广播：192.168.0.127
• 主机范围：192.168.0.65 ~ 192.168.0.126

C子网：

• 网段：192.168.0.128
• 子网掩码：255.255.255.192/26
• 广播：192.168.0.191
• 主机范围：192.168.0.129 ~ 192.168.0.190

D子网：

• 网段：192.168.0.192
• 子网掩码：255.255.255.192/26
• 广播：192.168.0.255
• 主机范围：192.168.0.193 ~ 192.168.0.254

B类子网划分：

A类子网划分：

规律：要将子网等分为2^n个更小的子网，则子网掩码在原来基础上右移n位。

思考：下面两台设备是否能够正常通信？

答案：不能，因为不在同一个网段，计算机0的网段是192.168.0.0，计算机1的网段是192.168.0.128。要想让这两台设备进行通信，需要添加一个路由器即可。

3.2.2. 变长子网划分

如果一个子网地址块的长度是原网段的(1/2)^n，那么

• 子网的子网掩码，就是在原网段的子网掩码基础上增加n个1
• 不等长的子网，它们的子网掩码也不同

假设上图是对192.168.0.0/24进行变长子网划分
C网段：子网掩码是255.255.255.128/25
B网段：子网掩码是255.255.255.192/26
A网段：子网掩码是255.255.255.224/27
D网段：子网掩码是255.255.255.252/30
E网段：子网掩码是255.255.255.252/30

思考：下面两台设备是否能够正常通信？

答案：不能，因为不在同一个网段，计算机0的网段是192.168.0.0，计算机1的网段是192.168.10.0。要想让这两台设备进行通信，需要添加一个路由器即可。

分析：计算机0和计算机1通信时，只有计算机1的IP地址，没有计算机1的子网掩码，最终是拿着对方的IP地址和自己的子网掩码按位与计算出的网段，所以计算机1的网段是192.168.10.0，和计算机0不在同一个网段，也就无法进行通信。如果是计算机1和计算机0进行通信，两台设备的IP和计算机1的子网掩码按位与计算后网段都是192.168.0.0，可以向计算机0发送消息，但由于计算机0计算和计算机1不在同一个网段，计算机0就无法向计算机1回复消息，所以无法正常通信。

注意：IP地址的分类是看IP地址的第一部分属于哪一类的范围，子网掩码和IP地址分类没有任何关系。子网划分只能是2的指数。

3.3. 超网

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。

3.3.1. 合并2个网段

把网络部分划分出来给主机使用。上图划分后主机位后，192.168.0.0和192.168.1.0的网段都是192.168.0.0，并且由于主机位高位增加了1位，所以主机数比之前多了一倍（具体还是要减2的—去除网段和广播地址）。

需求：原来有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）

思考：192.168.0.255/23这个IP地址可以分配给计算机使用么？

答案：可以。因为主机部分实际是9位，此时主机位高位是0，并不是全部为1，因此这个IP地址不是广播地址，最终是可以分配给计算机使用的。如果把主机部分的高位变为1，实际的IP地址就是192.168.1.255/23（广播地址），这时候就不能分配给计算机使用了。

3.3.2. 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。

思考：下面的2个网段，能通过子网掩码向左移动1位进行合并么？
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答案：不可以。因为192.168.2.0要想和192.168.1.0合并为同一个网段，必须向左移动两位才可以。

3.3.3. 合并网段的规律

假设n是2的k次幂（k≥1）

• 子网掩码左移k位将能够合并n个网段
• 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

0   192.168.0.0/24    192.168.0000 00|0|0.0
1   192.168.1.0/24    192.168.0000 00|0|1.0
2   192.168.2.0/24    192.168.0000 00|1|0.0
3   192.168.3.0/24    192.168.0000 00|1|1.0

上面就很容易看出，1和2左移1位是不能合并到同一个网段的。左移1位，0和1可以合并，2和3可以合并。左移2位，0到3可以合并。

一旦使用超网，其实就没有必要划分地址分类了。当然具体还是根据需求进行定制。

3.4. 判断一个网段是子网还是超网

1. 首先

• 看该网段的类型（IP地址分类）
• 默认情况下，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）

2. 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

例：25.100.0.0/16是一个A类子网；200.100.0.0/16是一个C类超网。

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