网络协议二：MAC地址与IP地址

MAC地址

简介

1. 每一个网卡都有一个6字节（48bit）的MAC地址（Media Access Control Adress），即MAC地址就是网卡地址
2. MAC地址全球唯一，固化在了网卡的ROM中，由IEEE802标准规定
   1. 前3字节：OUI(Organizationally Unique Identifier)组织唯一标识符
      1. 由IEEE的注册管理机构分配给厂商
   2. 后3字节：网络接口标识符
      1. 由厂商自行分配
   3. 即：只要同一个厂商生产的网卡，每个网卡的前三个字节的MAC地址是一样的

   4. 举例：

       //组织唯一标识符 网络接口标识符
       40-55-82-0A-8C-6D
      

3. OUI查询：可以查询出一个MAC地址属于哪个厂商
   1. http://standards-oui.ieee.org/oui/oui.txt
   2. https://mac.bmcx.com

MAC地址的表示格式

1. windows:40-55-82-0A-8C-6D
2. Linux、Android、Mac、iOS: 40:55:82:0A:8C:6D
3. Packet Tracer: 4055.820A.8C6D
4. 当48位全为1时，代表广播地址: FF-FF-FF-FF-FF-FF
   1. 当发送ARP广播时，发送的数据有：源PC的IP地址-目的PC的IP地址、源PC的MAC地址-FF-FF-FF-FF-FF-FF等
   2. 即只要发送到一个PC的数据中目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF,说明这个发送是ARP广播，是来想目的IP对应的PC索要MAC地址的

MAC地址的操作

1. 查看MAC地址：ipconfig /all
2. 修改MAC地址
   1. 更改适配器选项-属性-配置-高级-网络地址
   2. 填写的时候需要把减号（-）去掉
3. 有时可以通过修改MAC地址蹭网
4. 疑问：MAC地址不是固定写死在网卡硬件中的吗？ 为何可以修改呢？
   1. 网卡中的MAC地址是固定地址，操作系统也可以设置虚拟的MAC地址
   2. 如果操作系统没有设置MAC地址，那么就用网卡的固定MAC地址，如果设置则使用设置地址

MAC地址的获取

1. 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
   1. 获取成功后，会缓存IP地址、MAC地址的映射信息（在PC本机中缓存），俗称：ARP缓存
   2. 通过ARP广播获取的MAC地址，属于动态（dynamic）缓存
   3. 存储时间比较短（默认是2分钟），过期了就自动删除

2. 相关命令(PC的终端查询)

    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，存储时间较久，不同系统的存储时间不同）
   

ARP

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

ICMP

1. ICMP(Internet Control Message Protocol),译为：互联网控制消息协议
   1. IPv4中的ICMP被称作ICMPv4，IPv6中的ICMP则被称作ICMPv6
   2. 通常用于返回错误信息
      1. 比如 值过期、目的不可达
   3. ICMP的错误消息总是包括了源数据并返回给发送者

IP地址

1. 简介
   1. IP地址（Internet Protocol Address）：互联网上的每一个主机都有一个IP地址
      1. 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
      2. 后面推出了IPv6版本，128bit（16字节）
2. IP地址的组成
   1. IP地址由2部分组成：网络标识（网络ID）、主机标识（主机ID）
      1. 同一网段的计算机，网络ID相同
      2. 通过子网掩码（subnet mask）可以计算出网络ID：子网掩码 & IP地址
   2. 主机所在的网段 = 网络ID = 子网掩码 & IP地址
   3. 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
      1. 同一网段：不需要由路由器进行转发
      2. 不同网段：交由路由器进行转发

   4. 举例：

       IP地址：  130.168.1.10
       子网掩码： 255.255.0.0
       网段：    130.168.0.0
       主机ID为： 0.0.1.10
      

IP地址的分类

1. A类地址：默认子网掩码是255.0.0.0
   1. 前8位为网络ID，而且必须以0开头；后24位用来分配主机ID

    8 bit        24 bit
    网络ID        主机ID
    0开头  
   

2. B类地址：默认子网掩码是255.255.0.0
   1. 前16位为网络ID，而且必须以10开头；后16位用来分配主机ID

    16bit       16bit
    网络ID       主机ID
    10开头 
   

3. C类地址：默认子网掩码是255.255.255.0
   1. 前24位为网络ID，而且必须以110开头；后8位用来分配主机ID

    24bit       8bit
    网络ID       主机ID
    110开头 
   

4. D类地址：以1110开头，多播地址
5. E类地址：以1111开头，保留为今后使用
6. 只有A\B\C类地址才能分配给主机
   1. 主机ID为全0，表示主机所在的网段: 192.168.1.0
   2. 主机ID为全1，表示主机所在网段的全部主机（广播）
      1. 可以尝试用ping给某个网段的全部主机发数据: ping 192.168.1.255

A类地址

1. 网络ID
   1. 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
   2. 可以分配给主机的
      1. 第1部分的取值范围是：1~126
2. 主机ID
   1. 第2、3、4部分的取值范围是：0~255
   2. 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：主机ID全为0，代表网段； 主机ID全为1代表整个网段的主机，这两个不能分配给主机）

B类地址

1. 网络ID
   1. 可以分配给主机的
   2. 第1部分的取值范围是：128~191
   3. 第2部分的取值范围是：0~255
2. 主机ID
   1. 第3、4部分的取值范围是：0~255
   2. 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

C类地址

1. 网络ID
   1. 可以分配给主机的
   2. 第1部分的取值范围是：192~223
   3. 第2、3部分的取值范围是：0~255
2. 主机ID
   1. 第4部分的取值范围是：0~255
   2. 每个C类网络能容纳的最大主机数是：256 – 2 = 254

D类地址、E类地址

1. D类地址：没有子网掩码，用于多播（组播）地址
   1. 第1部分取值范围是：224~239
2. E类地址：保留为今后使用
   1. 第1部分取值范围是：240~255

子网掩码

子网掩码的CIDR表示方法

1. CIDR（Classless Inter-Domain Routing）：无类别域间路由
2. 子网掩码的CIDR表示方法
   1. 192.168.1.100/24，代表子网掩码有24个1，也就是255.255.255.0
   2. 123.210.100.200/16，代表子网掩码有16个1，也就是255.255.0.0
3. 计算工具：https://www.sojson.com/convert/subnetmask.html
4. 注意：子网与子网掩码
   1. 子网就是网络ID，即主机部分全部为0
   2. 子网掩码就是网络ID所占据的位全部为1，主机部分全部为0

为什么要进行子网划分？

1. 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
   1. 共254个可用IP地址：192.168.1.1~192.168.1.254
   2. 多出54个空闲的IP地址，这种情况并不算浪费资源
2. 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
   1. 共65534个可用IP地址：191.100.0.1~191.100.255.254
   2. 多出65034个空闲的IP地址，这种情况属于极大的浪费资源
3. 如何尽量避免浪费IP地址资源？
   1. 合理进行子网划分

子网划分

1. 子网划分：借用主机位作子网位，划分出多个子网
2. 可用分为
   1. 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
   2. 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
3. 子网划分器：http://www.ab126.com/web/3552.html
4. 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

1.C类网段的等长子网划分

C类特点：192.168.0.0/24
前24位是一个网段，后8位是主机地址

1. 等分成2个子网
   1. 将主机位的最高位也作为网段地址，即第25位，而且取值只能是0、1，正好将192.168.1.0这个网段分成两半，那么网络ID就成了25位，主机ID为7位
   2. 分配好的2个网段地址为：192.168.0.0/25、192.168.0.128/25
   3. 图分析：
      1. A子网：
         1. 子网掩码：255.255.255.128/25
         2. 主机可用IP地址：192.168.0.1~192.168.0.126
      2. B子网
         1. 子网掩码：255.255.255.128/25
         2. 主机可用IP地址：192.168.0.129~192.168.0.254
2. 等分成4个子网
   1. 将主机位的最高2位也作为网段地址，即第26位，而且取值只能是00、01、10、11这4个值，正好将192.168.1.0这个网段分成4个，那么网络ID就成了26位，主机ID为6位
   2. 分配好的4个网段地址为：192.168.0.0/26、192.168.0.64/26、192.168.0.128/26、192.168.0.192/26
   3. 图分析：
      1. 4个子网的子网掩码都是：255.255.255.192/26
      2. A子网的主机可用IP地址：192.168.0.1~192.168.0.62
      3. B子网的主机可用IP地址：192.168.0.65~192.168.0.126
      4. C子网的主机可用IP地址：192.168.0.129~192.168.0.190
      5. D子网的主机可用IP地址：192.168.0.193~192.168.0.254
3. 等分成4个子网的广播地址
4. 等分成8个子网
   1. 同理类推，主机的3个二进制位取值为8个，作为网络ID，等分为8个子网
   2. 图分析：
      1. 4个子网的子网掩码都是：255.255.255.224/27
      2. A子网：192.168.0.1~192.168.0.30
      3. B子网：192.168.0.33~192.168.0.62
      4. C子网：192.168.0.65~192.168.0.94
      5. D子网：192.168.0.97~192.168.0.126
      6. E子网：192.168.0.129~192.168.0.158
      7. F子网：192.168.0.161~192.168.0.190
      8. G子网：192.168.0.193~192.168.0.222
      9. H子网：192.168.0.225~192.168.0.254

2.B类子网划分、A类子网划分

变长子网划分

1. 如果一个子网地址块的长度是原网段的(1/2)^n，那么
   1. 子网的子网掩码，就是在原网段的子网掩码基础上向右移动增加n个1;比如：如果A子网是原来网段的1/2(二等分)，那么子网掩码就是原来的子网掩码255.255.255.0向右移动1位，就是255.255.255.128
   2. 不等长的子网，它们的子网掩码也不同

1. 假设上图是对192.168.0.0/24进行变长子网划分
   1. C网段：子网掩码是255.255.255.128/25
   2. B网段：子网掩码是255.255.255.192/26
   3. A网段：子网掩码是255.255.255.224/27
   4. D网段：子网掩码是255.255.255.252/30
   5. E网段：子网掩码是255.255.255.252/30
2. C网段是原网段的1/2，所以255.255.255.0/24向右移动一位是255.255.255.128/25
3. B网段是原网段的1/4（即(1/2)^2），所以255.255.255.0/24向右移动2位是255.255.255.192/26
4. 同理，….

问题

1. 题1：

   1. IP地址1：

       IP地址： 192.168.0.10
       子网掩码： 255.255.255.128
      

   2. IP地址22：

       IP地址： 192.168.0.132
       子网掩码： 255.255.255.128
      

   3. 请问IP地址1与IP地址2能直接通信吗？

      1. 不能,由子网掩码可以看出，子网掩码为25位，即将C类子网2等分，这两个IP地址分别在不同的网段，IP地址1在192.168.0.0这个网段，IP地址2在192.168.0.128这个网段
2. 重点：这2台设备之间能正常通信么？PC1: 192.168.0.10/24、PC2：192.168.10.10/16
   1. 答案是不能正常通信
   2. PC1的网段地址为： 192.168.0.0,子网掩码为255.255.255.0
   3. PC2的网段地址为： 192.168.0.0，资额昂掩码为255.255.0.0
   4. PC1与PC2属于同一网段，表面看起来能正常通信，但是仍然不能通信
   5. 两台PC进行通信的前提是：PC1先判断PC2的IP地址是否跟自己在同一个网段，判断的方法是用PC1的子网掩码（因为拿不到PC2的子网掩码，自能用自己的） & PC2的IP地址得出网段地址与自己的网段地址进行比较
   6. PC1计算PC2的网段地址：255.255.255.0 & 192.168.10.10 = 192.168.10.0;PC1的网段地址为192.168.0.0，因此判断不在同一网段，因此不能正常通信。
3. 题2： 请问10.172.168.1/24是A类、还是B类、C类地址？
   1. 是A类地址划分的子网段
   2. 24表示子网掩码24位
   3. 10代表A类地址，在0-127之间

总结

1. IP地址 = 网络ID + 主机ID
2. IPV4地址为32位
3. 子网掩码：就是用来划分网段的，规定哪些位置为网络ID位，哪些位置为主机ID位置
4. 子网掩码的表示形式：网络ID位全部为1，主机ID位全部为0
5. 网段地址=网络ID+主机ID全部为0 = 子网掩码 & IP地址

超网

1. 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
2. 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
   1. 200台在192.168.0.0/24网段，200台在192.168.1.0/24网段
   2. 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），此时的子网掩码为255.255.128.0 ,主机为变为9位，可容纳500多台PC
3. 思考：
   1. 192.168.0.255/23这个IP地址，可以分配给计算机使用么？
      1. 可以，因为网络ID为23位，子网掩码为255.255.128.0，网段地址为192.168.0.0，广播地址为192.168.1.255，而不是192.168.0.255

合并4个网段

1. 子网掩码向左移动2位，可以合并4个网段
2. 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

合并网段的规律

1. 假设n是2的k次幂（k≥1）
   1. 子网掩码左移k位能够将能够合并n个网段
   2. 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
2. 比如
   1. 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
   2. 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
   3. 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

1. 首先
   1. 看看该网段的类型，是A类网络、B类网络、C类网络？
   2. 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
2. 然后
   1. 如果该网段的子网掩码位数比默认子网掩码多，就是子网
   2. 如果该网段的子网掩码位数比默认子网掩码少，则是超网
3. 比如
   1. 25.100.0.0/16是一个A类子网
   2. 200.100.0.0/16是一个C类超网