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  • 2017-01-16 21:06:34

    网络层提供的服务

     


    虚电路服务数据报服务
    思路可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由用户主机来保证
    连接的建立必须有不需要
    终点地址仅在连接建立阶段使用,每个分组使用短的虚电路号每个分组独立选择路由进行转发
    分组的转发属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发每个分组独立选择路由进行转发
    当节点出故障时所有通过故障的节点的虚电路均不能工作出故障的节点可能会丢失分组,一些路由可能会发生变化
    分组的顺序总是按发送顺序到达终点到达终点的时间,不一定按发送的顺序
    端到端的差错处理和流量控制可以由网络负责,也可以由用户主机负责由用户主机负责

            因特网采用的设计思路是这样的:网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。


    网际协议IP

            与IP协议配套使用的还有三个协议:

            1、地址解析协议ARP(Address  Resolution  Protocol)

            2、网际控制报文协议ICMP(Internet  Control  Message  Protocol)

            3、网际组管理协议IGMP(Internet Group  Management Protocol)


    虚拟互连网络

            从一般的概念来讲,将网络互相连接起来要使用一些中间设备:

            1、物理层使用的中间设备叫转发器(repeater)

            2、数据链路层使用的中间设备叫网桥或桥接器(bridge)

            3、网络层使用的中间设备叫做路由器(router)

            4、网络层以上使用的中间设备叫做网关(gateway)

            所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络,他的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来就是客观存在的,但是我们利用IP协议就可以使这些性能各异的网络在网络层上看起来好像是一个统一的网络。

            互联网可以由多种异构的网络互连组成。


    分类的IP地址

            整个因特网就是一个单一的、抽象的网络。IP地址就是给因特网上的每一个主机(或路由器)的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32位的标识符。IP地址的结构使我们可以在因特网上很方便地进行寻址。

            IP地址 ::= {<网络号>,<主机号>},一个IP地址在整个因特网范围内是唯一的。

            A类地址:8位网络号(首位固定为0),24位主机号

            B类地址:16位网络号(前两位固定为10),16位主机号

            C类地址:24位网络号(前三位固定为110),8位主机号

            D类地址:前四位固定为1110

            E类地址:前四位固定为1111

            这里的A类,B类和C类地址都是单播地址(一对一通信),D类地址用于多播(一对多通信),E类地址保留为以后使用。


    IP地址的指派范围
    网络类型最大可指派的网络数第一个可指派的网络号最后一个可指派的网络号每个网络中的最大主机数
    A126(2的7次方 - 2)112616 777 214
    B16383(2的14次方 - 1)128.1191.25565534
    C2097151(2的21次方 - 1)192.0.1233.255.255254

            IP地址的一些重要特点:

            (1)每一个IP地址都有网络号和主机号两部分组成,分等级的地址结构好处:第一:IP地址的管理方便,管理机构只需要分配网络号,而主机号由获得网络号的单位自行分配。第二:减少路由表的幅度,路由表仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组,减少了路由表所在的存储空间以及查找时间。

            (2)一个路由器至少应当含有两个不同的IP地址

            (3)转发器或网桥连接起来的若干局域网仍为一个网络,因为这些局域网都具有同样的网络号(因特网的观点:一个网络是指具有相同网络号net-id的主机的集合)。具有不同网络号的局域网必须使用路由器进行互连。

            (4)因特网同等对待每一个IP地址。


    IP地址与硬件地址

            物理地址(又称硬件地址或MAC地址)是数据链路层和物理层使用的地址,二而IP地址是网络层和以上各层使用的地址,是一种逻辑地址(称IP地址是逻辑地址是因为IP地址是用软件实现的)。IP地址放在IP数据报的首部,而硬件地址则放在MAC帧的首部。
            强调:
            (1)在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报。
            (2)虽然在IP数据报首部有源站IP地址,但路由器只根据目的站的IP地址的网络号进行路由选择。
            (3)在局域网的链路层,只能看见MAC帧。
            (4)尽管互连在一起的网络的硬件地址体系各不相同,但IP层抽象的互联网却屏蔽了下层这些很复杂的细节。只要我们在网络层上讨论问题,就能够使用统一的、抽象的IP地址研究主机和主机或路由器之间的通信。


    地址解析协议ARP

            已知主机的IP地址,如何获取其相应的硬件地址。地址解析协议ARP是在主机ARP高速缓存中存放一个从IP地址到硬件地址的映射表,并且这个表还经常动态更新(新增或超时删除)。每个主机都设有一个ARP高速缓存(ARP cache)。里面有本局域网上的各主机和路由器的IP地址到硬件地址的映射表。

            假如主机A的ARP高速缓存中查不到目标主机的硬件地址,则要通过ARP协议获取,步奏如下:

            (1)ARP进程在本局域网上广播发送一个ARP请求分组(内容包括我的IP地址是:XXX,我的硬件地址是:YYY,我想知道IP地址为:ZZZ的主机的硬件地址)。

            (2)在本局域网上的所有主机上运行的ARP进程都收到此ARP请求分组。

            (3)主机B的IP地址与ARP请求分组中要查询的IP地址一致,就收下这个ARP请求分组,并向主机A发送ARP响应分组(写入自己的硬件地址)。其余所有的主机的IP地址都与ARP所要查询的IP地址不一致,所以不理会。

            (4)主机A收到主机B的ARP响应分组后,就在其ARP高速缓存中写入主机B的IP地址到硬件地址的映射。同时主机B也把主机A的这一映射写到自己的ARP高速缓存中。

            注意:主机的用户对这种地址解析的过程是不知道的,ARP协议会自动解析所需要的硬件地址。

            问题:为什么不直接使用硬件地址通信,而是要使用抽象的IP地址,并调用ARP来寻址相应的硬件地址?

            由于全世界存在着各式各样的网络,它们使用不同的硬件地址。要使这些异构的网络能够互相通信就必须进行非常复杂的硬件地址转换工作,因此由用户或用户主机来完成这项工作几乎是不可能的事。但是统一的IP地址把这个复杂的问题解决了。


    IP数据报的格式

            (1)版本:占4位,指IP协议的版本。通信双方使用的IP协议版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为4(IPV4)。

            (2)首部长度:占4位,可表示的最大十进制数值是15。首部长度字段所表示数的单位是32位字(1个32位字长是4字节)。因此,首部长度字段的最小值是5(即二进制的0101),相当于IP首部长度为5*4=20字节。而当首部长度为1111时(即十进制的15),首部长度就达到最大值15个32位字长,即64字节。当IP分组的首部长度不是4字节的整数倍时,必须利用最后的填充字段加以填充。

            (3)区分服务:占8位,用来获取更好的服务。这个字段在旧的标准中叫做服务类型。

            (4)总长度:总长度值首部和数据之和的长度,单位为字节。总长度字段为16位,因此数据报的最大长度为2^16-1=65535字节。我们知道,在IP层下面的每一种数据链路层协议都规定了一个数据帧中的数据字段的最大长度,这称为最大传送单元MTU(Maximum Transfer Unit)。当一个IP数据报封装成链路层的帧时,此数据报的总长度(即首部加上数据部分)一定不能超过下面的数据链路层所规定的MTU值。

            (5)标识(identification):占16位,IP软件在存储器中维持一个计数器,每产生一个数据报,计数器就加1,并将此值赋给标识字段。但这个“标识”并不是序列号,因为IP是无连接服务,数据报不存在按序接收的问题。当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分片时,这个标识字段的值就被复制到所有的数据报片的标识字段中。相同的标识字段的值使分片后的各数据报片最后能正确地重新组装成为原来的数据报。

            (6)标志(flag):占三位,但目前只有两位与意义:

            标志字段中的最低位记为MF(More Fragment)。MF=1即表示后面“还有分片”的数据报。MF=0表示这已经是若干数据报片中的最后一个。

            标志字段中间一位记为DF(Don't Fragment),意思是“不能分片”。只有当DF=0时才允许分片。

            (7)片偏移:占13位,片偏移指出:较长的分组在分片后,某片在原分组中的相对位置。也就是说,相对于用户数据字段的起点,该片从何处开始。片偏移以8个字节为偏移单位。

            (8)生存时间:占8位,生存时间字段常用的英文缩写是TTL(Time To Live),表明数据报在网络中的寿命,现在改为“跳数限制”。但名称不变

            (9)协议:占8为,协议字段指出此数据报携带的数据是使用何种协议,以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个处理过程。

            (10)首部检验和:占16位,这个字段只检验数据报的首部,但不包括数据部分。

            (11)源地址:占32位。

            (12)目的地址:占32位。


    IP层转发分组

            路由主要包含的信息:(目的网络地址,下一跳地址)

            特定主机路由:即对特定的目的主机指明一个路由

            分组转发算法:

            (1)从数据报的首部提取目的主机的IP地址D,得出目的网络地址为N。

            (2)若N就是与此路由器直接相连的某个网络地址,则进行直接交付,不需要再经过其他的路由器,直接把数据报交付目的主机(这里包括把目的主机地址D转化为具体的硬件地址,把数据报封装为MAC帧,再发送此帧);否则就是间接交付,执行(3)。

            (3)若路由器表中有目的地址为D的特定主机路由,则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器;否则,执行(4)。

            (4)若路由表中有到达网络N的路由,则把数据报传送给路由表所指明的下一跳路由器;否则,执行(5)。

            (5)若路由表中有一个默认路由,则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器;否则,执行(6)。

            (6)报告转发分组出错。

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    计算机网络系列内容的学习目录 → \rightarrow 谢希仁计算机网络学习系列内容汇总

    7. MAC地址、IP地址以及数据链路层使用的ARP协议

      数据链路层
      ■ MAC地址是以太网的MAC子层所使用的地址;

      网际层
      ■ IP地址是TCP/IP体系结构网际层所使用的地址;
      ■ ARP协议属于TCP/IP体系结构的网际层,其作用是已知设备所分配到的IP地址,使用ARP协议可以通过该IP地址获取到设备的MAC地址;

      ■ 尽管IP地址和ARP协议属于TCP/IP体系结构的网际层 (而不属于数据链路层),但是它们与MAC地址存在一定的关系,并且我们日常的网络应用都离不开MAC地址、IP地址以及ARP协议。
       因此,我们将这三者放在一起讨论。

    7.1 MAC地址

      ■ 当多个主机连接在同一个广播信道上,要想实现两个主机之间的通信,则每个主机都必须有一个唯一的标识,即一个数据链路层地址;
      ■ 在每个主机发送的帧中必须携带标识发送主机和接收主机的地址。 由于这类地址是用于媒体接入控制MAC(Media Access Contro),因此这类地址被称为MAC地址
        ⋄ \diamond MAC地址一般被固化在网卡(网络适配器)的电可擦可编程只读存储器EEPROM中,因此MAC地址也被称为硬件地址
        ⋄ \diamond MAC地址有时也被称为物理地址。请注意:这并不意味着MAC地址属于网络体系结构中的物理层!

    在这里插入图片描述
      例: 下列选项中,不属于物理层接口规范定义范畴的是( C )
          A. 接口形状  B. 引脚功能  C. 物理地址  D. 信号电平
         分析: MAC地址有时也被称为物理地址,但这并不意味着MAC地址属于网络体系结构中的物理层!

      ■ 一般情况下, 用户主机会包含两个网络适配器:有线局域网适配器(有线网卡)和无线局域网适配器(无线网卡)。每个网络适配器都有一个全球唯一的MAC地址。而交换机和路由器往往拥有更多的网络接口,所以会拥有更多的MAC地址。综上所述,严格来说,MAC地址是对网络上各接口的唯一标识,而不是对网络上各设备的唯一标识

      IEEE 802局域网的MAC地址格式:

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
      广播MAC地址举例:

    在这里插入图片描述
      多播MAC地址举例:

    在这里插入图片描述

    7.1.1 课后练习

      1. 以下哪个地址是广播MAC地址( C )
        A. 00-00-00-00-00-00
        B. AB-CD-EF-11-22-33
        C. FF-FF-FF-FF-FF-FF
        D. 29-29-29-29-29-29
       分析: FF-FF-FF-FF-FF-FF是广播MAC地址。

      2. 以下哪个地址是多播MAC地址( B )
        A. 00-00-00-00-00-00
        B. A9-8B-7C-6D-5E-4F
        C. FF-FF-FF-FF-FF-FF
        D. 0A-1B-2C-3D-4E-5F
       分析:

    在这里插入图片描述

    7.2 IP地址

      ■ IP地址是因特网 (Internet) 上的主机和路由器所使用的地址,用于标识两部分信息:
        ⋄ \diamond 网络编号:标识因特网上数以百万计的网络
        ⋄ \diamond 主机编号:标识同一网络上不同主机(或路由器各接口)
      ■ 很显然, 之前介绍的MAC地址不具备区分不同网络的功能。
        ⋄ \diamond 如果只是一个单独的网络,不接入因特网,可以只使用MAC地址(这不是一般用户的应用方式)。
        ⋄ \diamond 如果主机所在的网络要接入因特网,则IP地址和MAC地址都需要使用。

      从网络体系结构看IP地址与MAC地址:
      从网络体系结构的角度看看IP地址与MAC地址的封装位置。如下图所示,以五层原理体系结构为例。

    在这里插入图片描述
      应用层封装好的应用层报文将其向下交付给运输层,运输层看不懂也无需看懂应用层报文的结构与内容,用黑色表示,仅仅给其添加一个运输层首部。运输层将封装好的协议数据单元向下交付给网络层,网络层看不懂也无需看懂运输层协议数据单元的结构与内容,仅仅给其添加一个网络层首部。网络层将封装好的协议数据单元向下交付给数据链路层,数据链路层看不懂也无需看懂网络层协议数据单元的结构与内容,仅仅给其添加一个数据链路层首部和一个数据链路层尾部。数据链路层将封装好的协议数据单元向下交付给物理层,物理层看不懂也无需看懂数据链路层协议数据单元的结构与内容,仅仅将它们看作是比特流,以便将它们转换为相应的电信号发送到传输媒体。
      由于IP地址属于网络体系结构中网络层的范畴,因此在网络层首部中应该封装有源IP地址和目的IP地址。相应的,由于MAC地址属于网络体系结构中数据链路层的范畴,因此在数据链路层首部中应该封装有源MAC地址和目的MAC地址。

      数据包转发过程中IP地址与MAC地址的变化情况:

    在这里插入图片描述
      ■ 数据包转发过程中源IP地址和目的IP地址保持不变;
      ■ 数据包转发过程中源MAC地址和目的MAC地址逐个链路(或逐个网络)改变。

      例: 路由器R通过以太网交换机S1和S2连接两个网络,R的接口、主机H1和H2的IP地址与MAC地址如下图所示。若H1向H2发送一个IP分组P,则H1发出的封装P的以太网帧的目的MAC地址、H2收到的封装P的以太网帧的源MAC地址分别是( D )

    在这里插入图片描述
         A. 00-a1-b2-c3-d4-62  00-1a-2b-3c-4d-52   B. 00-a1-b2-C3-d4-62  00-1a-2b-3C-4d-61
         C. 00-1a-2b-3c-4d-51  00-12-2b-3C-4d-52  D. 00-1a-2b-3C-4d-51  00-a1-b2-c3-d4-61

        分析:

    在这里插入图片描述

    7.2.1 课后练习

      1. 下图中各主机和路由器各接口的MAC地址和所配置的IP地址都已标注在它们的旁边,假设主机H1要给H2发送一个IP数据报,该IP数据报会被封装成以太网帧进行发送,则当H2收到该帧时,其首部中的源MAC地址以及所封装的IP数据报首部中的源IP地址分别是( B )

    在这里插入图片描述
        A. 00-a1-b2-c3-d4-61  192.168.1.254  B. 00-a1-b2-c3-d4-61  192.168.0.1
        C. 00-1a-2b-3c-4d-51  192.168.0.1   D. 00-1a-2b-3c-4d-51  192.168.1.254

       分析: 在数据包的转发过程中,源IP地址和目的IP地址始终保持不变;而源MAC地址和目的MAC地址逐段链路(或逐个网络)改变。

    7.3 ARP协议

      MAC地址属于数据链路层范畴,IP地址属于网络层范畴。
      问题: 如何通过IP地址找到其相应的MAC地址?
          这就是地址解析协议ARP所要实现的主要功能。

    在这里插入图片描述
      网络层以上的协议用IP地址来标识网络接口,但以太数据帧传输时,以物理地址来标识网络接口。因此我们需要进行IP地址与物理地址之间的转化。对于IPv4来说,我们使用ARP地址解析协议来完成IP地址与物理地址的转化(IPv6使用邻居发现协议进行IP地址与物理地址的转化,它包含在ICMPv6中)。
      ARP协议提供了网络层地址(IP地址)到物理地址(mac地址)之间的动态映射,ARP协议是地址解析的通用协议。

      ARP协议只能在一段链路或一个网络上使用,而不能跨网络使用。

    在这里插入图片描述
      ARP协议工作原理:
       1. 每个主机都会在自己的 ARP 缓冲区中建立一个 ARP 列表,以表示 IP 地址和 MAC 地址之间的对应关系。
       2. 主机(网络接口)新加入网络时(也可能只是MAC地址发生变化,接口重启等), 会发送免费ARP报文把自己IP地址与MAC地址的映射关系广播给其他主机。
       3. 网络上的主机接收到免费ARP报文时,会更新自己的ARP缓冲区。将新的映射关系更新到自己的ARP表中。
       4. 某个主机需要发送报文时,首先检查 ARP 列表中是否有对应 IP 地址的目的主机的 MAC 地址,如果有,则直接发送数据;如果没有,就向本网段的所有主机发送 ARP 数据包,该数据包包括的内容有:源主机 IP 地址,源主机 MAC 地址,目的主机的 IP 地址等。
       5. 当本网络的所有主机收到该 ARP 数据包时:
       (1)首先检查数据包中的 IP 地址是否是自己的 IP 地址,如果不是,则忽略该数据包。
       (2)如果是,则首先从数据包中取出源主机的 IP 和 MAC 地址写入到 ARP 列表中,如果已经存在,则覆盖。
       (3)然后将自己的 MAC 地址写入 ARP 响应包中,告诉源主机自己是它想要找的 MAC 地址。
       6. 源主机收到 ARP 响应包后。将目的主机的 IP 和 MAC 地址写入 ARP 列表,并利用此信息发送数据。如果源主机一直没有收到 ARP 响应数据包,表示 ARP 查询失败。

      总结:

    在这里插入图片描述

    7.3.1 课后练习

      1. 下列情况需要发送ARP请求的是( C )
        A. 主机需要接收信息,但ARP高速缓存表中没有源IP地址与MAC地址的映射关系
        B. 主机需要接收信息,但ARP高速缓存表中已有源IP地址与MAC地址的映射关系
        C. 主机需要发送信息,但ARP高速缓存表中没有目的IP地址与MAC地址的映射关系
        D. 主机需要发送信息,但ARP高速缓存表中已有目的IP地址与MAC地址的映射关系
      分析: 主机需要发送信息,但ARP高速缓存表中没有目的IP地址与MAC地址的映射关系时,需要发送ARP请求。

      2. 主机A发送IP数据报给主机B,途中经过了8个路由器,则在此过程中使用ARP的次数为( B )
        A. 8  B. 9   C. 10  D. 11
      分析: 主机用1次,其余路由器各1次。
          途经8个路由器,那么在发送过程中开始发送,原主机会用1次ARP地址解析协议找到第1个路由器的物理地址,每经历1个路由器就会使用1次ARP地址解析协议,故总共会用到8次。

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  • IP地址使用,分类等详解

    万次阅读 多人点赞 2018-09-18 17:28:36
    一、IP地址和MAC地址 二、IP地址的分类 三、保留的特殊IP地址 四、公网和私网IP地址 一、IP地址和MAC地址 1、MAC地址 MAC(Media Access Control,介质访问控制)地址,或称为物理地址,也叫硬件地址,用来...

    目录

    一、IP地址和MAC地址

    二、IP地址的分类

    三、保留的特殊IP地址

    四、公网和私网IP地址


    一、IP地址和MAC地址

    1、MAC地址

    MAC(Media Access Control,介质访问控制)地址,或称为物理地址,也叫硬件地址,用来定义网络设备的位置,MAC地址是网卡出厂时设定的,是固定的(但可以通过在设备管理器中或注册表等方式修改,同一网段内的MAC地址必须唯一)。MAC地址采用十六进制数表示,长度是6个字节(48位),分为前24位和后24位。

    1、前24位叫做组织唯一标志符(Organizationally Unique Identifier,即OUI),是由IEEE的注册管理机构给不同厂家分配的代码,区分了不同的厂家。
    2、后24位是由厂家自己分配的,称为扩展标识符。同一个厂家生产的网卡中MAC地址后24位是不同的。

    MAC地址对应于OSI参考模型的第二层数据链路层,工作在数据链路层的交换机维护着计算机MAC地址和自身端口的数据库,交换机根据收到的数据帧中的“目的MAC地址”字段来转发数据帧。

    2、IP地址

    IP地址(Internet Protocol Address),缩写为IP Adress,是一种在Internet上的给主机统一编址的地址格式,也称为网络协议(IP协议)地址。它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址,常见的IP地址,分为IPv4与IPv6两大类,当前广泛应用的是IPv4,目前IPv4几乎耗尽,下一阶段必然会进行版本升级到IPv6;如无特别注明,一般我们讲的的IP地址所指的是IPv4。

    IP地址和子网划分学习笔记之《IP地址详解》

    IP地址对应于OSI参考模型的第三层网络层,工作在网络层的路由器根据目标IP和源IP来判断是否属于同一网段,如果是不同网段,则转发数据包。

    3、IP地址格式和表示

    在计算机二进制中,1个字节 = 8位 = 8bit(比特)

    ①IP地址格式和表示

    IP地址(IPv4)由32位二进制数组成,分为4段(4个字节),每一段为8位二进制数(1个字节)
    每一段8位二进制,中间使用英文的标点符号“.”隔开

    由于二进制数太长,为了便于记忆和识别,把每一段8位二进制数转成十进制,大小为0至255。
    IP地址的这种表示法叫做“点分十进制表示法”。
    IP地址表示为:xxx.xxx.xxx.xxx
    举个栗子:210.21.196.6就是一个IP地址的表示。

    ②理解2的指数幂

    2的幂也称为2的指数,还可以称为2的次方,如2的2次方、2的3次方等等,任何数的0次方都等于1。
    在IP地址中,0次方到7次方刚好为8位,这对于IP地址二进制转换为十进制非常方便。
    举个栗子:11010010 = 1×2^7+1×2^6+0×2^5+1×2^4+0×2^3+0×2^2+1×2^1+0×2^0 = 128+64+0+16+0+0+2+0 = 210

    IP地址和子网划分学习笔记之《IP地址详解》

    我们需要记住上图的2的幂的结果,不需要死记硬背,这个是有技巧的,从上图来看,很容易发现,由于是2的幂,所有相邻的幂的前后都是相差2倍,所以只要知道其中一个幂值,就知道相邻的幂的值。

    4、IP地址的组成

    IP地址=网络地址+主机地址,比如:
    IP地址和子网划分学习笔记之《IP地址详解》
    计算机的IP地址由两部分组成,一部分为网络标识,一部分为主机标识,同一网段内的计算机网络部分相同,主机部分不同同时重复出现。路由器连接不同网段,负责不同网段之间的数据转发,交换机连接的是同一网段的计算机。通过设置网络地址和主机地址,在互相连接的整个网络中保证每台主机的IP地址不会互相重叠,即IP地址具有了唯一性。
    IP地址和子网划分学习笔记之《IP地址详解》

    5、IP地址与MAC地址区别

    • 长度不同:IP地址为32位(二进制),MAC地址为48位(十六进制)。
    • 分配依据不同:IP地址的分配是基于网络拓扑,MAC地址的分配是基于制造商。
    • 寻址协议层不同:IP地址应用于OSI第三层(网络层),而MAC地址应用在OSI第二层(数据链路层)。

    6、IP地址与MAC地址的作用和关系

    IP和MAC两者之间分工明确,默契合作,完成通信过程。在数据通信时,IP地址专注于网络层,网络层设备(如路由器)根据IP地址,将数据包从一个网络传递转发到另外一个网络上;而MAC地址专注于数据链路层,数据链路层设备(如交换机)根据MAC地址,将一个数据帧从一个节点传送到相同链路的另一个节点上。IP和MAC地址这种映射关系由ARP(Address Resolution Protocol,地址解析协议)协议完成,ARP根据目的IP地址,找到中间节点的MAC地址,通过中间节点传送,从而最终到达目的网络。
    IP地址和子网划分学习笔记之《IP地址详解》

    计算机在和其他计算机通信之前,首先要判断目标IP地址和自己的IP地址是否在一个网段,这决定了数据链层的目标MAC地址是目标计算机的还是路由器接口的MAC地址。数据包的目标IP地址决定了数据包最终到达哪一个计算机,而目标MAC地址决定了该数据包下一跳由哪个设备接收,不一定是终点。

    二、IP地址的分类

    1、IP地址分类详解

    IP地址分A、B、C、D、E五类,其中A、B、C这三类是比较常用的IP地址,D、E类为特殊地址。

    IP地址和子网划分学习笔记之《IP地址详解》

    ①、A类地址

    1. A类地址第1字节为网络地址(最高位固定是0),另外3个字节为主机地址。
    2. A类地址范围:1.0.0.0 - 126.255.255.255,其中0和127作为特殊地址。
    3. A类网络默认子网掩码为255.0.0.0,也可写作/8。
    4. A类网络最大主机数量是256×256×256-2=166777214(减去1个主机位为0的网络地址和1个广播地址)。

    在计算机网络中,主机ID全部为0的地址为网络地址,而主机ID全部为1的地址为广播地址,这2个地址是不能分配给主机用的。

    ②、B类地址

    1. B类地址第1字节(最高位固定是10)和第2字节为网络地址,另外2个字节为主机地址。
    2. B类地址范围:128.0.0.0 - 191.255.255.255。
    3. B类网络默认子网掩码为255.255.0.0,也可写作/16。
    4. B类网络最大主机数量256×256-2=6554。

    ③、C类地址

    1. C类地址第1字节(最高位固定是110)、第2字节和第3个字节,另外1个字节为主机地址。
    2. C类地址范围:192.0.0.0 - 223.255.255.255。
    3. C类网络默认子网掩码为255.255.255.0,也可写作/24。
    4. C类网络最大主机数量256-2=254。

    ④、D类地址

    1. D类地址不分网络地址和主机地址,它的第1个字节的最高位固定是1110。
    2. D类地址用于组播(也称为多播)的地址,无子网掩码。
    3. D类地址范围:224.0.0.0 - 239.255.255.255。

    ⑤、E类地址

    1. E类地址也不分网络地址和主机地址,它的第1个字节的最高位固定是11110。
    2. E类地址范围:240.0.0.0 - 255.255.255.255。
    3. 其中240.0.0.0-255.255.255.254作为保留地址,主要用于Internet试验和开发,255.255.255.255作为广播地址。

    2、IP地址分类思维导图

    IP地址总结学习思维导图如下:
    IP地址和子网划分学习笔记之《IP地址详解》

    三、保留的特殊IP地址

    以下这些特殊IP地址都是不能分配给主机用的地址:

    • 主机ID全为0的地址:特指某个网段,比如:192.168.10.0 255.255.255.0,指192.168.10.0网段。
    • 主机ID全为1的地址:特指该网段的全部主机,比如:192.168.10.255,如果你的计算机发送数据包使用主机ID全是1的IP地址,数据链层地址用广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。
    • 127.0.0.1:是本地环回地址,指本机地址,一般用来测试使用。回送地址(127.x.x.x)是本机回送地址(Loopback Address),即主机IP堆栈内部的IP地址。
    • 169.254.0.0:169.254.0.0-169.254.255.255实际上是自动私有IP地址。
    • 0.0.0.0:如果计算机的IP地址和网络中的其他计算机地址冲突,使用ipconfig命令看到的就是0.0.0.0,子网掩码也是0.0.0.0。

    保留的特殊IP地址思维导图如下:

    IP地址和子网划分学习笔记之《IP地址详解》

    四、公网和私网IP地址

    公网IP地址
    公有地址分配和管理由Inter NIC(Internet Network Information Center 因特网信息中心)负责。各级ISP使用的公网地址都需要向Inter NIC提出申请,有Inter NIC统一发放,这样就能确保地址块不冲突。

    私网IP地址
    创建IP寻址方案的人也创建了私网IP地址。这些地址可以被用于私有网络,在Internet没有这些IP地址,Internet上的路由器也没有到私有网络的路由表。

    • A类:10.0.0.0 255.0.0.0,保留了1个A类网络。
    • B类:172.16.0.0 255.255.0.0~172.31.0.0 255.255.0.0,保留了16个B类网络。
    • C类:192.168.0.0 255.255.255.0~192.168.255.0 255.255.255.0,保留了256个C类网络。

    PS:私网地址访问Internet需要做NAT或PAT网络地址转换

    PAT(Port Address Translation)方式的地址转换利用了TCP/UDP协议的端口号,进行地址转换;
    PAT方式的地址转换是采用了“地址+端口”的映射方式,因此 可以使内部局域网的许多主机共享一个IP地址访问Internet;
    PAT也叫动态地址转换,在私有网络地址和外部网络地址之间建立多对一映射,达到了内 部网多台主机共用同一个公网地址访问外部网络的目的,
    所以在实际应用中多数采用这种方式;


    IP地址和子网划分学习笔记之《IP地址详解》

    公网和私网IP地址思维导图如下:

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    IP 地址与硬件地址是不同的地址。

    从层次的角度看, 1、硬件地址(或物理地址)是数据链路层和物理层使用的地址。 2、IP 地址是网络层和以上各层使用的地址,是一种逻辑地址(称IP 地址是逻辑地址是因为IP 地址是用软件实现的)。

       

       

    在 IP 层抽象的互联网上只能看到IP数据报。 图中的IP1 →IP2表示从源地址IP1到目的地址IP2 。 两个路由器的IP地址并不出现在IP数据报的首部中。

    路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择。

    在具体的物理网络的链路层只能看见MAC 帧而看不见IP数据报。

    IP 层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节。 在抽象的网络层上讨论问题,就能够使用统一的、抽象的IP地址研究主机和主机或主机和路由器之间的通信 。

    主机H1 与H2 通信中使用的 IP地址与硬件地址HA:

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