《趣谈网络协议》-Ipconfig

从一行查看IP地址的命令开始讲解， Window上是ipconfig，Linux上是ifconfig，和 ip addr

root@test:~# ip addr
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default 
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host 
       valid_lft forever preferred_lft forever

2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
    link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 10.100.122.2/24 brd 10.100.122.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::f816:3eff:fec7:7975/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

这个命令显示了这台机器上所有的网卡。大部分的网卡都会有一个IP地址，当然，这不是必须的。

如上，10.100.122.2就是一个IP地址。这个地址被点分割为四个部分，每个部分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。因为不够用，于是就有了IPv6，也就是上面的输出结果里面inet6 fe80::f816:3eff:fec7:7975/64。这个有128位，现在看是够用了。

本来就不够用的IP地址就不够，还被分成了5类。

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。

无类型域间选路（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。

伴随CIDR存在的，一个是广播地址（10.100.122.255），另一个是子网掩码（255.255.255.0）。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。

在最初的网络里，网络根据ip地址分为的三种类型 而 形成的三个网域 ,这三个网域内的各个机器可以进行方便的访问 但是这一个网域内的机器数目太过庞大 也不便于管理 为了将网域分为更小的范围 ,人们想出来了一种解决方案，正是靠子网掩码来将一个大网域划分为更多的小网域

子网掩码的计算：根据IP的网络ID和主机ID就可以得出子网掩码,将网络ID所在的位置全部化为1 将主机ID所在的位数全部化为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。

子网切分

将主机ID借一位到网络ID上，就可实现切分为两个子网

超网划分：

在某些情况下，我们需要将多个小网络合并成一个大网络，每个网络主机ID变多， 网络ID变少，原来的主机ID位向网络ID位借位。其目的是节约路由器的记录数

举例：
220.78.10101000.0   168
220.78.10101001.0   169
220.78.10101010.0   170
220.78.10101011.0   171
220.78.10101100.0   172
220.78.10101101.0   173
220.78.10101110.0   174
220.78.10101111.0   175

这8个IP地址就可以合并为一个ip来节省路由器的资源，加快访问速度,220.78.168.0/21

公有IP和私有IP

　　私有IP的出现是为了解决公有IP地址不够用的情况。从A、B、C三类IP地址中拿出一部分作为私有IP地址，这些IP地址不能被路由到Internet骨干网上，Internet路由器也将丢弃该私有地址。如果私有IP地址想要连至Internet，需要将私有地址转换为公有地址。这个转换过程称为网络地址转换（Network Address Translation，NAT），通常使用路由器来执行NAT转换。

范围如下：

• A: 10.0.0.0~10.255.255.255,即10.0.0.0/8
• B:172.16.0.0~172.31.255.255,即172.16.0.0/12
• C:192.168.0.0~192.168.255.255,即192.168.0.0/16

这五类地址中，还有一类 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。

在 IP 地址的后面有个 scope，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。

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。

MAC 地址

在 IP 地址的上一行是link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff，这个被称为MAC地址，是一个网卡的物理地址，用十六进制，6 个 byte 表示。

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。

所以，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。

网络设备的状态标识

解析完了 MAC 地址，我们再来看 <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> 是干什么的？这个叫作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。
• MTU1500 是指什么意思呢？是哪一层的概念呢？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。正文里面有 IP 的头、TCP 的头、HTTP 的头。如果放不下，就需要分片来传输。

qdisc pfifo_fast 是什么意思呢？qdisc 全称是 queueing discipline,中文叫排队规则。内核如果需要通过某个网络接口发送数据包，它都需要按照为这个接口配置的 qdisc（排队规则）把数据包加入队列。

子网切分的例子

1. 已知：

   • IP地址：172.16.100.200
   • 子网掩码：255.255.224.0

2. 用CIDR表示：

   step1：将子网掩码由二进制转换为十进制
             255.255.224.0
             11111111.11111111.11100000.00000000
   step2：CIDR表示为
             172.16.100.200/19
   

3. 网络ID是多少

   step1：将IP地址由二进制转换为十进制
           10101100.00010000.01100100.11001000
   step2：将二进制的IP地址与二进制的子网掩码进行运算 子网掩码为1时保留原IP位 否则为0
           1 0 1 0 1 1 0 0 .0 0 0 1 0 0 0 0. 0 1 1 0 0 1 0 0. 1 1 0 0 1 0 0 0
           1 1 1 1 1 1 1 1. 1 1 1 1 1 1 1 1. 1 1 1 0 0 0 0 0. 0 0 0 0 0 0 0 0
       =   1 0 1 0 1 1 0 0 .0 0 0 1 0 0 0 0. 0 1 1 0 0 0 0 0. 0 0 0 0 0 0 0 0
   step3:将二进制的结果转换为十进制
           172.16.96.0/19
   

4. 网络主机数有多少

   num=2^(32-19)-2
   

5. 网络主机的范围是多少

   step1：将长度为子网掩码为1的数IP记录下来（即网络ID）
           1 0 1 0 1 1 0 0 .0 0 0 1 0 0 0 0. 0 1 1 x x x x x . x x x x x x x x
           1 1 1 1 1 1 1 1. 1 1 1 1 1 1 1 1. 1 1 1 
   step2：将x全部变为0即最小值 将x全部变为1即最大值
           1 0 1 0 1 1 0 0 .0 0 0 1 0 0 0 0. 0 1 1 0 0 0 0 0.0
           1 0 1 0 1 1 0 0 .0 0 0 1 0 0 0 0. 0 1 1 x 1 1 1 1 .255
   step3：将二进制的结果转换为十进制（ip的最后一组不能为0和255）
           最小值：172.16.96.1
           最大值：172.16.177.254
   

附

课程所有协议

参考文章：https://time.geekbang.org/column/article/7772

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