《网络协议》笔记-IP地址

Posted 2022-01-27 iblade

**IP 地址是一个网卡在网络世界的通讯地址，**相当于我们现实世界的门牌号码。既然是门牌号码，不能大家都一样，不然就会起冲突。比方说，假如大家都叫六单元 1001 号，那快递就找不到地方了。所以，有时候咱们的电脑弹出网络地址冲突，出现上不去网的情况，多半是 IP 地址冲突了。

如10.100.122.2 就是一个 IP 地址。这个地址被点分隔为四个部分，每个部分一个字节（ 8 个 bit），所以 IP 地址总共是 32 位。这样产生的 IP 地址的数量很快就不够用了。因为当时设计 IP 地址的时候，并不知道今天会有这么多的计算机！

本来 32 位的 IP 地址就不够，还被分成了 5 类。现在想想，当时分配地址的时候，真是太。。。

在网络地址中，至少在当时设计的时候，对于 A、B、 C 类主要分两部分，前面一部分是网络号，后面一部分是主机号。这很好理解，大家都是六单元 1001 号，我是小区 A 的六单元 1001 号，而你是小区 B 的六单元 1001 号。

下面这个表格，详细地展示了 A、B、C 三类地址所能包含的主机的数量。

这里面有个尴尬的事情，就是 C 类地址能包含的最大主机数量实在太少了，只有 254 个。现在估计一个网吧都不够用吧。而 B 类地址能包含的最大主机数量又太多了。6 万多台机器放在一个网络下面，一般的企业基本达不到这个规模，闲着的地址就是浪费。

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无类型域间选路 Classless Inter-Domain Routing（CIDR）

于是有了一个折中的方式叫作无类型域间选路，简称 CIDR。这种方式打破了原来设计的几类地址的做法，将 32 位的 IP 地址一分为二，前面是网络号，后面是主机号。从哪里分呢？

如10.100.122.2/24中追加 /24。 24 表示在32 位中，前 24 位是网络号，后 8 位是主机号。

伴随着 CIDR 存在的，一个是广播地址，10.100.122.255。如果发送这个地址，所有 10.100.122 网络里面的机器都可以收到。另一个是子网掩码，255.255.255.0。

将子网掩码和 IP 地址进行 AND 计算。前面三个 255，转成二进制都是 1。1 和任何数值取 AND，都是原来数值，因而前三个数不变，为 10.100.122。

后面一个 0，转换成二进制是 0，0 和任何数值取 AND，都是 0，因而最后一个数变为 0，合起来就是 10.100.122.0。这就是网络号。将子网掩码和 IP 地址按位计算 AND，就可得到网络号。

在日常的工作中，几乎不用划分 A 类、B 类或者 C 类，所以时间长了，很多人就忘记了这个分类，而只记得 CIDR。但是有一点还是要注意的，就是公有 IP 地址和私有 IP 地址。

平时我们看到的数据中心里，办公室、家里或学校的 IP 地址，一般都是私有 IP 地址段。因为这些地址允许组织内部的 IT 人员自己管理、自己分配，而且可以重复。因此，不同公有IP间的私有IP是可以是一样的。某市内东风路32号小区有1栋3号，建设路46号小区也可以有1栋3号。但是不能两个小区都叫东风路32号。

公有 IP 地址有个组织统一分配，你需要去买。

表格中的 192.168.0.x 是最常用的私有 IP 地址。家用 Wi-Fi，对应就会有一个 IP 地址。一般家用网设备也不会超过 256 个，所以 /24 基本就够了。有时候我们也能见到 /16 的 CIDR，这两种是最常见的，也是最容易理解的。

不需要将十进制转换为二进制 32 位，就能明显看出 192.168.0 是网络号，后面是主机号。而整个网络里面的第一个地址 192.168.0.1，往往就是你这个私有网络的出口地址。例如，你家里的电脑连接 Wi-Fi，Wi-Fi 路由器的地址就是 192.168.0.1，而 192.168.0.255 就是广播地址。一旦发送这个地址，整个 192.168.0 网络里面的所有机器都能收到。
（网络地址：主机位置零； 子网掩码：主机位置零，网络号置一； 广播地址：主机位置一；）
但是也不总都是这样的情况。因此，其他情况往往就会很难理解，还容易出错。

举例：一个容易“犯错”的 CIDR

我们来看 16.158.165.91/22 这个 CIDR。求一下这个网络的第一个地址、子网掩码和广播地址。

你要是上来就写 16.158.165.1，那就大错特错了。

/22 不是 8 的整数倍，不好办，只能先变成二进制来看。16.158 的部分不会动，它占了前 16 位。中间的 165，变为二进制为‭10100101‬。除了前面的 16 位，还剩 6 位。所以，这 8 位中前 6 位是网络号，16.158.<101001>，而 <01>.91 是机器号。

第一个地址是 16.158.<101001><00>.1，即 16.158.164.1。子网掩码是 255.255.<111111><00>.0，即 255.255.252.0。广播地址为 16.158.<101001><11>.255，即 16.158.167.255。

D 类是组播地址。使用这一类地址，属于某个组的机器都能收到。

MAC地址出厂唯一，直接用MAC地址通信不行吗？当然不行！一个网络包要从一个地方传到另一个地方，除了要有确定的地址，还需要有定位功能。 而有门牌号码属性的 IP 地址，才是有远程定位功能的。

MAC 地址更像是身份证，是一个唯一的标识。它的唯一性设计是为了组网的时候，不同的网卡放在一个网络里面的时候，可以不用担心冲突。从硬件角度，保证不同的网卡有不同的标识。

MAC 地址是有一定定位功能的，只不过范围非常有限。你可以根据 IP 地址，找到北京市海淀大街 599 号 B 楼 6 层，但是依然找不到我，你就可以靠吼了，大声喊身份证 XXXX 的是哪位？我听到了，我就会站起来说，是我啊。但是如果你在伦敦，到处喊身份证 XXXX 的是哪位，就不会有回答了。

MAC 地址的通信范围比较小，局限在一个子网里面。例如，从 192.168.0.2/24 访问 192.168.0.3/24 是可以用 MAC 地址的。一旦跨子网，即从 192.168.0.2/24 到 192.168.1.2/24，MAC 地址就不行了，需要 IP 地址起作用了。

总结：

• 面试考点：

1. ip addr → 不知道基本没有用Linux
2. ifconfig 和 ip addr 的区别吗？
3. CIDR
4. 共有IP和私有IP
5. MAC地址
6. 网络设备的状态标识

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• 知识点：

核心

1. IP设计时犯的错误？

   低估了未来网络的发展，32位地址不够用。于是有了现在IPv6（128位）
   分类错误。分成了5类。C类太少，B类太多。C类254个，网络都不够；D类6万多，给企业都太多。

2. 那后来者如何弥补IP设计者犯的错误呢？

   CIDR，无类型域间选路。
   打破原来几类地址设计的做法，将32位IP地址一分二，前者网络号，后者主机号。
   如何分呢？
   栗子：10.100.122.2/24
   24 = 前24位是网络号，那么后8位就是主机号。
   那如何用？
   如发送行信息给 10.100.122.255
   所有以 10.100.122… 开头的机器都能收到。
   于是有了两个概念：
   广播地址：10.100.122.255
   子网掩码：255.255.255.0 -> AND 得到网络号。

3. 每一个城市都有人民广场，IP设计是如何解决的？

   公有IP地址和私有IP地址。
   搭建世界人民都可以访问的网站，需要共有IP地址
   搭建只有学校同学使用饿的网站，只要私有IP地址
   例子1: Wi-Fi
   192.168.0.x 是最常用的私有 IP 地址
   192.168.0 是网络号
   192.168.0.1，往往就是你这个私有网络的出口地址
   192.168.0.255 就是广播地址。一旦发送这个地址，整个 192.168.0 网络里面的所有机器都能收到。

   例子2: 16.158.165.91/22

4. 如何理解MAC地址？

   如果说IP是地址，有定位功能。那Mac就是身份证，唯一识别。

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琐碎：

5. 讲了ABC，那是D类是什么？

   D 类是组播地址。使用这一类地址，属于某个组的机器都能收到。这有点类似在公司里面大家都加入了一个邮件组。发送邮件，加入这个组的都能收到。组播地址在后面讲述 VXLAN 协议的时候会提到。

6. IP地址scope是什么意思？

   对于 eth0 这张网卡来讲，是 global，说明这张网卡是可以对外的，可以接收来自各个地方的包。对于 lo 来讲，是 host，说明这张网卡仅仅可以供本机相互通信。

7. 那lo是什么意思？

   lo 全称是loopback，又称环回接口，往往会被分配到 127.0.0.1 这个地址。这个地址用于本机通信，经过内核处理后直接返回，不会在任何网络中出现。

8. < BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP > 是干什么的？

   net_device flags，网络设备的状态标识。
   UP 表示网卡处于启动的状态；
   BROADCAST 表示这个网卡有广播地址，可以发送广播包；
   MULTICAST 表示网卡可以发送多播包；
   LOWER_UP 表示 L1 是启动的，也即网线插着呢。

9. MTU1500 是指什么意思呢？是哪一层的概念？

   最大传输单元 MTU 为 1500，这是以太网的默认值。
   MTU 是二层 MAC 层的概念。MAC 层有 MAC 的头，以太网规定连 MAC 头带正文合起来，不允许超过 1500 个字节。

10. qdisc pfifo_fast 是什么意思呢？

    排队规则。规定数据包如何进出的。有pfifo, pfifo_fast.