写给非网工的CCNA教程(1)IP地址和MAC地址

网络，我们每天都在接触，每天都在通过网络获取我们想要的信息。再进一步讲，我们利用我们的手机或者电脑，通过有线网或者Wi-Fi或者3G/4G网，连接到电信、联通、移动等运营商的网络，最终连到各大公司的网站服务器，获取我们想要的信息。

可见在网络中，涉及到的公司或企业之多，而每家公司或企业的设备类型之多、设备数量之多。为了唯一标识这些设备，我们引入了IP地址；为了解决这些设备的通信问题，我们引入了IP协议。

1 IP地址

在上文中，我们提到IP地址，也了解到IP地址是用来唯一标识不同的设备的，就像我们的手机号，不能重复。我们的手机号是11位十进制数字标识，那我们的IP地址呢？

IP地址使用32个bit的二进制数来表示I的，每8个bit一组，所以有4组，像这样

XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXXX = 1 or 0

1.1 IP地址的表示：点分十进制

如果用二进制来写的话，要写32个，岂不很烦。所以我们一般把这二进制，按照8个bit一组翻译成十进制数据。组与组之间用点号(.)区分，也就是我们常说的点分十进制表示IP地址，像192.168.1.9，47.95.47.253等等。

由于每一组二进制是8个bit，那么不难推算出每组十进制的取值访问是0---255，所以IP地址取值范围是0.0.0.0---255.255.255.255。

1.2 IP地址分类

我们知道了IP地址的范围是0.0.0.0--255.255.255.255，可以计算出来IP地址的个数为2^32，大概42亿个.。这么多IP地址，用途各不一样，互联网IP地址分配机构IANA对这42亿个IP地址按照用途分配如下。

分类	IP地址	作用
特殊地址	0.0.0.0	当设备没有IP地址,需要发送DHCP请求报文时,以此地址为源地址
广播地址	255.255.255.255	广播数据时,用此地址做目的地址,不过广播会被局限在一个网段内,不可能是整个互联网
私有地址	10.0.0.0 -- 10.255.255.255 172.16.0.0 -- 172.31.255.255 192.168.0.0 -- 192.168.255.255	用于每个公司或者机构内部通信,不会出现在互联网上
环回口地址	127.0.0.0 -- 127.255.255.255	用于测试网卡是否正常使用,不会出现在网络上,只会在设备内部
特殊地址	169.254.0.0 -- 169.254.255.255	当设备经过DHCP报文交互后,仍然没有拿到IP地址,则从此段地址内随机生成一个
组播地址	224.0.0.0 -- 239.255.255.255	当需要向一组设备发送数据时,用组播地址为目的地址,加入到该组播组的设备都会收到
公网地址	除上面以外的地址	这部分地址才是真正互联网上通信的地址,一般由运营商使用和再分配

1.3 子网掩码

上一级是从IP地址用途去分类的，在实际使用中，我们往往把IP地址划分成两个部分，网络号和主机号，而主机号又被划分成子网号和真正主机号，如下图所示。

从上图可知,我们32个bit的IP地址被划分成了网络号、子网号和主机号，为何要这么做呢?

打个比方我们的手机号总共11位，前面三位一般代表移动、联通、电信三家运营商，紧跟着的四位一般代表手机号归属地，最后四位代表归属地下具体用户.。同样的道理，我们的IP地址，前面的网络号和子网号代表具体网段，后面的主机号代表该网段内的设备。

那到底前面的多少个bit代表网段(或者子网)呢，这就需要我们的子网掩码上场了。子网掩码也是32个bit，不过前面的是一连串的1，后面的都是0，并且也可以用点分十进制表示。例如前面10个bit全是1，那么后面为0的则是32-10=22个bit，如下所示。

二进制：    1111 1111. 1100 0000. 0000 0000. 0000 0000十进制：          255.       192.         0.         0

因此我们可以推算出子网掩码总共多少个，答案是33个。为何是33个呢，而不是像IP地址一样是2^32=42亿个?很简单，就是因为1或者0是连续的，而且前面连续的都是1，后面则是全0。前面连续为1的可能无非就是：0个连续1,、1个连续1、2个连续1、3个连续1 ..... 32个连续1。如下表，我们列举所有32个子网掩码的具体表示形式。

前面连续1的个数	子网掩码表示	举例	举例
0	0.0.0.0	192.168.1.1/0	192.168.1.1/0.0.0.0
1	128.0.0.0	192.168.1.1/1	192.168.1.1/128.0.0.0
2	192.0.0.0	192.168.1.1/2	192.168.1.1/192.0.0.0
3	224.0.0.0	192.168.1.1/3	192.168.1.1/224.0.0.0
...........	...........	...........	...........
29	255.255.255.248	192.168.1.1/29	192.168.1.1/255.255.255.248
30	255.255.255.252	192.168.1.1/30	192.168.1.1/255.255.255.252
31	255.255.255.254	192.168.1.1/31	192.168.1.1/255.255.255.254
32	255.255.255.255	192.168.1.1/32	192.168.1.1/255.255.255.255

到现在为止,我们已经有了IP地址和子网掩码的基础，也清楚通过子网掩码，我们可以知道一个IP地址的子网编号、以及该子网内的主机编号。

例如 192.168.1.1/24。可算出子网内主机编号为192.168.1.0、192.168.1.1、192.168.1.2 .....192.168.1.254、192.168.1.255。

我们人为规定主机编号内第一个为子网的编号，如本例中的192.168.1.0。

主机编号内最后一个代表该子网内所有主机，如192.168.1.255。

其他的则为真正的主机，如192.168.1.1---192.168.1.254。

1.4 网段

在网络通信中，我们一般经常提到网段这个名词，到底啥意思呢？其实啊，网段就是我们前面提到的子网。给定一个IP地址和子网掩码，我们怎么知道这个IP地址属于哪个网段呢？下文举个例子来说明。

例子1：判断 192.168.1.200/24属于哪个网段？

我们先把点分十进制的192.168.1.200转换成二进制【1100 0000. 1011 1000. 0000 0001. 1100 1000】，然后与24个连续的1【1111 1111. 1111 1111. 1111 1111. 0000 0000】进行逻辑与运算，最后转换成十进制即可。

  1100 0000. 1011 1000. 0000 0001. 1100 1000  192.168.1.200
& 1111 1111. 1111 1111. 1111 1111. 0000 0000  /24
=============================================1100 0000. 1011 1000. 0000 0001. 0000 0000
转换成十进制192.       168.        1.         0  /24

因此192.168.1.200/24对应的网段/子网为192.168.1.0/24。

例子2：判断 192.168.1.200/26属于哪个网段？

我们先把点分十进制的192.168.1.200转换成二进制【1100 0000. 1011 1000. 0000 0001. 1100 1000】，然后与26个连续的1【1111 1111. 1111 1111. 1111 1111. 1100 0000】进行逻辑与运算，最后转换成十进制即可。

  1100 0000. 1011 1000. 0000 0001. 1100 1000  192.168.1.200
& 1111 1111. 1111 1111. 1111 1111. 1100 0000  /26
=============================================1100 0000. 1011 1000. 0000 0001. 1100 0000
转换成十进制192.       168.        1.       192  /26

因此192.168.1.200/26对应的网段/子网为192.168.1.192/26。

2 MAC地址

如果仔细观察每块网卡的属性，除了会看到IP地址外，还会发现MAC地址，这MAC地址是干嘛的呢？

先说MAC地址的格式， MAC地址是用48个bit的二进制表示的，8个bit一组、共有6组。为了方便书写，我们用冒分十六进制来表示。也就是组内用十六进制表示，组与组之间用冒号(:)分割。不难看出MAC地址的范围是00:00:00:00:00:00--ff:ff:ff:ff:ff:ff。

MAC地址是冒分十六进制表示的48个bit，其中前面24个bit(叫OUI)表示设备厂商，后面24个bit表示设备厂商制造的设备编号。因此每个设备厂商制造的设备都有一个唯一的编号，不会重复。另外要注意一点，在这48个bit第8个bit如果为1，则表示组播地址,为1则表示单播地址。

可见MAC地址也是用来唯一标识设备（网卡或者其他设备），MAC地址一般出厂的时候就已经在设备芯片内部写死了，不会更改。

3 有了IP地址，为何还有MAC地址

前文到了唯一标识网络中的设备有IP地址，还有MAC地址，这不冲突吗？

在这之前，我们得搞清楚我们平时所说的网络,，其实是指以太网,，由于使用者甚多，所以以太网就代表网络。严格来说以太网只是网络的一种，除了以太网，我们还有其他类型的网络,，比如Wi-FI、移动通信中的2G/3G/4G/5G、P2P网还有被淘汰的ATM等等.

这些网络为了标识不同的网络节点，都有自己一套地址体系。以太网就是用的MAC地址，Wi-Fi其实也是也是用MAC地址，其他类型的网络可不是MAC地址，具体的可以自行查阅相关资料。

我们的互联网，可是把这些不同类型的网络连接在一起，因此有必要重新弄套地址体系，要求所有连到互联网上的网络都得支持，要不然夸网络类型通信岂不乱套? 这套地址体系就是我们所说的IP地址。

打个比方，IP地址就像护照，全球统一格式；MAC地址就像我们国家的身份证，仅仅在我们国家有效。如果你只是在国内活动(以太网内通信)，身份证(MAC地址)就可以了。但你要出国(跨网络通信)，那就得护照(IP地址)才行。