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网络基础知识学习（一）

ISO/OSI 7层参考模型：

网络包的格式很复杂，程序也很复杂。复杂的程序都要分层。

IP

IP查询：

• Windows：ipconfig
• Linux：ifconfig、ip addr

输入ip addr的输出结果：

IP 地址是一个网卡在网络世界的通讯地址，例如上图的:192.168.30.128，地址被点分隔为四个部分，每个部分8个bit所以 IP地址总共是32位，这就是我们常见的IPv4。但后来电脑越来越多，IP不够用了后就有了IPv6，例如：fe80::20c:29ff:fea8:1506，这个有128位。

32位的IPv4被分成了5类：

可以将网络号看成是小区，主机号看成是门牌号来理解。
A、B、C三类地址所包含的主机的数量：

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，你学校的某个私有 IP 地址段和我学校的可以是一样的。这就像每个小区有自己的楼编号和门牌号，你们小区可以叫 6 栋，我们小区也叫 6 栋，没有任何问题。但是一旦出了小区，就需要使用公有 IP 地址。就像人民路 888 号，是国家统一分配的，不能两个小区都叫人民路 888 号。

公有 IP 地址有个组织统一分配，你需要去买。如果你搭建一个网站，给你学校的人使用，让你们学校的IT 人员给你一个 IP 地址就行。但是假如你要做一个类似网易 163 这样的网站，就需要有公有 IP 地址，这样全世界的人才能访问。

C 类地址能包含的最大主机数量实在太少了，只有 254 个，而 B 类地址能包含的最大主机数量又太多了，6 万多个。于是有了一个折中的方式叫作无类型域间选路，简称 CIDR。

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。例如10.111.111.2/24，斜杠后面有个数字24这种地址表示形式，就是CIDR。后面24的意思是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，10.111.111.255（主机号最大的地址）。如果发送这个地址，所有 10.111.111网络里面的机器都可以收到。另一个是子网掩码，255.255.255.0（网络号位全是1，其余都是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 10.111.111。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 10.111.111.0。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。

表格中的 192.168.0.x 是最常用的私有 IP 地址。你家里有 Wi-Fi，对应就会有一个 IP 地址。一般你家里地上网设备不会超过 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 WiFi，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。

如果网络号不是8的倍数，比如16.158.165.91/22，求这个网络的第一个地址、子网掩码和广播地址。很难一眼看出来，就需要将ip的换算成二进制，再换算成10机制来计算了。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。

ip addr输出结果中的IP地址的后面有个scope，对于ens33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

MAC 地址，是一个网卡的物理地址，用十六进制，6 个 byte 表示。例如：ip addr输出结果中，IP地址的上一行是link/ether 00:0c:29:a8:15:06 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff，这个就是MAC地址信息，00:0c:29:a8:15:06就是MAC地址。每个物理网卡都有一个唯一的MAC地址。

既然MAC地址是唯一的，那全部都用MAC地址就好了，知道对方MAC地址就可以把信息传递给对方，为什么还要有IP？

举一个例子：你知道你想要找的人的身份证( MAC )，你知道去哪里找他吗？如果你知道这人就在同一个办公室里面，你可以哈对方的名字，他听到就会回应你。但是如果要找到的人在一个城市里面，应该就不行了吧，你还得知道对方现在的联系地址( ip地址 )，才可以找到对方。

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。

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。

网络设备的状态标识

ip addr第一行输出结果：ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
其中<BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP>叫做网络设备的状态标识（net_device_flags）.

• BROADCAST：表示网卡有广播地址
• MULTICAST：表示网卡可以发送多播包
• UP：表示网卡处于启动的状态
• LOWER_UP：网卡连接正常，就是网卡已经上电

mtu 1500：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，以太网规定正文部分不允许超过 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：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。

总结

1. IP是地址，有定位功能，分公有IP和私有IP。
2. CIDR可以用来判断IP是不是同一个局域网。
3. MAC是身份证，无定位功能，但可以有局部小范围通信。

参考资料

• 趣谈网络协议-刘超