网络协议从入门到底层原理学习（二）—

文章目录

- 网络协议从入门到底层原理学习（二）—— Mac地址/IP地址
- - 1、MAC地址
  - 2、MAC地址的表示格式
  - 3、MAC地址表
  - 4、MAC地址操作
  - 5、MAC地址的获取
  - 6、ARP
  - 7、ICMP
  - 8、IP地址
  - 9、IP地址的分类和格式
  - 10、不同分类的IP地址的范围
  - 11、特殊 IP 地址
  - 12、子网掩码
  - 13、子网划分
  - 14、超网

网络协议从入门到底层原理学习（二）—— Mac地址/IP地址

1、MAC地址

MAC地址（Media Access Control Address）也称为硬件地址或物理地址（Physical Address），它是一个用来确认网络设备位置的位址。在OSI模型中，第三层网络层负责IP地址，第二层数据链路层则负责MAC位址。MAC地址用于在网络中唯一标示一个网卡，一台设备若有一或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址。

MAC地址由网络设备制造商生产时烧录在网卡(Network lnterface Card)的EPROM(一种闪存芯片，通常可以通过程序擦写)。IP地址与MAC地址在计算机里都是以二进制表示的，IP地址是32位的，而MAC地址则是48位的。

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组织唯一标识符（OUI）由IEEE（电气和电子工程师协会）分配给厂商，它包含24位。厂商再用剩下的24位（EUI，扩展唯一标识符）为其生产的每个网卡分配一个全球唯一的全局管理地址，一般来说大厂商都会购买多个OUI。

I/G（Individual/Group）位，如果I/G=0，则是某台设备的MAC地址，即单播地址；如果I/G=1，则是多播地址（组播+广播=多播）。

G/L（Global/Local，也称为U/L位，其中U表示Universal）位，如果G/L=0，则是全局管理地址，由IEEE分配；如果G/L=1，则是本地管理地址，是网络管理员为了加强自己对网络管理而指定的地址。

2、MAC地址的表示格式

Windows
- 40-55-82-0A-8C-6D
Linux、Android、Mac、iOS
- 40:55:82:0A:8C:6D
Packet Tracer
- 4055.820A.8C6D
当48位全为1时，代表广播地址
- FF-FF-FF-FF-FF-FF

MAC地址可以分为3种类型：

物理MAC地址：这种类型的MAC地址唯一的标识了以太网上的一个终端，该地址为全球唯一的硬件地址；
广播MAC地址：全1的MAC地址为广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF），用来表示LAN上的所有终端设备；
组播MAC地址：除广播地址外，第8bit为1的MAC地址为组播MAC地址（例如01-00-00-00-00-00），用来代表LAN上的一组终端。

3、MAC地址表

MAC地址表记录了交换机学习到的其他设备的MAC地址与接口的对应关系，以及接口所属VLAN等信息。设备在转发报文时，根据报文的目的MAC地址查询MAC地址表，如果MAC地址表中包含与报文目的MAC地址对应的表项，则直接通过该表项中的出接口转发该报文；如果MAC地址表中没有包含报文目的MAC地址对应的表项时，设备将采取广播方式在所属VLAN内除接收接口外的所有接口转发该报文。

MAC地址表的分类

MAC地址表中的表项分为：动态表项、静态表项和黑洞表项。另外交换机的MAC地址表中还存在一种业务类型的MAC地址表项，譬如：安全MAC、MUX MAC、Authen MAC、Guest MAC等。该类MAC地址表项是由对应业务维护的，一般是通过动态表项转换来的。
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MAC地址表的组成

MAC地址表是以MAC地址和VLAN ID或VSI为索引来唯一标识。当一台目的主机属于多个VLAN或VSI时，在MAC地址表中就会存在相同MAC地址拥有多个不同VLAN ID或VSI的情况。

MAC地址表的作用

MAC地址表用于指导报文进行单播转发。如图中，PC1发往PC3的报文，在到达交换机Switch时，根据报文中的目的MAC地址MAC3和VLAN10查询交换机的MAC地址表，获取出接口Port3，然后报文直接从接口Port3转发到PC3，完成数据的转发。

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4、MAC地址操作

查询方法

在命令提示符下输入命令“ipconfig /all”回车之后就会显示当前计算机的一些网络信息，其中“Physical Address”（物理地址）字样的这一项就是当前计算机中网卡的 MAC地址。

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修改 MAC 地址

更改适配器选项 —— 属性 —— 配置 —— 高级 —— 网络地址

填写的时候需要把减号（-）去掉

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5、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（默认是2分钟），过期了就自动删除

6、ARP

地址解析协议，即ARP（Address Resolution Protocol），是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议。

在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址的。在以太网中，一个主机和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。但这个目标MAC地址是如何获得的呢？它就是通过地址解析协议获得的。所谓“地址解析”就是主机在发送帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。

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RARP（Reverse Address Resolution Protocol），译为：逆地址解析协议

使用与ARP相同的报头结构
作用与ARP相反，用于将MAC地址转换为IP地址
后来被BOOTP、DHCP所取代

7、ICMP

ICMP（Internet Control Message Protocol），译为：互联网控制消息协议

IPv4中的ICMP被称作ICMPv4，IPv6中的ICMP则被称作ICMPv6
通常用于返回错误信息
- 比如 TTL 值过期、目的不可达
ICMP的错误消息总是包括了源数据并返回给发送者

ICMP 报文结构

ICMP 报文一般为 8 个字节，包括类型、代码、校验和扩展内容字段。ICMP 报文基本结构如图所示。
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其中，类型表示 ICMP 的消息类型，代码表示对类型的进一步说明，校验和表示对整个报文的报文信息的校验。

在 ICMP 报文中，如果类型和代码不同，ICMP 数据包报告的消息含义也会不同。常见的类型和代码的 ICMP 含义如表所示。

类型	代码	含义
0	0	回显应答（ping 应答）
3	0	网络不可达
3	1	主机不可达
3	2	协议不可达
3	3	端口不可达
3	4	需要进行分片，但设置不分片位
3	5	源站选路失败
3	6	目的网络未知
3	7	目的主机未知
3	9	目的网络被强制禁止
3	10	目的主机被强制禁止
3	11	由于服务类型 TOS，网络不可达
3	12	由于服务类型 TOS，主机不可达
3	13	由于过滤，通信被强制禁止
3	14	主机越权
3	15	优先中止失效
4	0	源端被关闭（基本流控制）
5	0	对网络重定向
5	1	对主机重定向
5	2	对服务类型和网络重定向
5	3	对服务类型和主机重定向
8	0	回显请求（ping 请求）
9	0	路由器通告
10	0	路由器请求
11	0	传输期间生存时间为 0
11	1	在数据报组装期间生存时间为 0
12	0	坏的 IP 首部
12	1	缺少必需的选项
13	0	时间戳请求
14	0	时间戳应答
17	0	地址掩码请求
18	0	地址掩码应答

8、IP地址

IP地址（Internet Protocol Address）：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）

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IP地址的基本构成

为了便于寻址，了解目标主机的位置，每个 IP 地址包括两个标识码（ID），即网络 ID 和主机 ID。同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络 ID，网络上的一个主机（包括网络上的工作站、服务器和路由器等）有一个主机 ID 与其对应。

网络 ID 和主机 ID 含义如下：

网络 ID：用于识别主机所在的网络，网络 ID 的位数直接决定了可以分配的网络数量。
主机 ID：用于识别该网络中的主机，主机 ID 的位数则决定了网络中最大的主机数量。

通过子网掩码（subnet mask）可以得知网络ID 、主机ID

主机所在的网段 = 子网掩码 & IP地址

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

9、IP地址的分类和格式

大型网络包含大量的主机，而小型网络包含少量的主机。根据用户需求不同，一个网络包含的主机数量也会不同。为了满足不同场景的需要，网络必须使用一种方式来判断 IP 地址中哪一部分是网络 ID，哪一部分是主机 ID。

IP 地址为 32 位地址，被分为 4 个 8 位段。为了方便对 IP 地址的管理，将 IP 地址基本分为三大类，每类地址的分类与含义如下：

A 类：前 8 位表示网络 ID，后 24 位表示主机 ID；该地址分配给政府机关单位使用。
B 类：前 16 位表示网络 ID，后 16 位表示主机 ID；该地址分配给中等规模的企业使用。
C 类：前 24 位表示网络 ID，后 8 位表示主机 ID；该地址分配给任何需要的人使用。

除了上述的 A、B、C 三类地址以外，还有两类隐藏地址，即 D 类地址和E类地址：

D 类：不分网络 ID 和主机 ID；该地址用于多播。
E 类：不分网络 ID 和主机 ID；该地址用于实验。

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从上图中可以看出，每类 IP 地址都是以 32 位的二进制格式显示的，每类地址的区别如下：

A类：网络 ID 的第一位以 0 开始的地址。
B类：网络 ID 的第一位以 10 开始的地址。
C类：网络ID的第一位以 110 开始的地址。
D类：地址以 1110 开始的地址。
E类：地址以 11110 开始的地址。

10、不同分类的IP地址的范围

由于每类地址的开头是固定的，因此每类地址都有自己的范围：

A类：IP 地址范围为 0.0.0.0～127.255.255.255。

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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
- 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
B类：IP 地址范围为 128.0.0.0～191.255.255.255。

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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
C类：IP 地址范围为 192.0.0.0～223.255.255.255。

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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 = 254
D类：IP 地址范围为 224.0.0.0～239.255.255.255。