计算机网络基础(路由器的作用 MAC地址 IP地址 IP地址分类子网掩码网段，等长子网划分)

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

前言

在上一篇我们聊到了简单的了解到了计算机的通信方式，并且都是处于同一个网段下的通信，简要理解（大局观）计算机之间的通信方式【同一网段】（直接相连，同轴电缆，集线器，网桥，交换机）,今天我们聊聊路由器和MAC地址IP地址的基础知识

文章目录

前言
计算机之间连接方式—路由器连接
MAC地址
IP地址
IP地址的分类
- A类地址
- B类地址
- C类地址
- D和E类地址
子网掩码的CIDN表示方法
为什么需要子网划分
什么是子网划分
等长子网划分——划分两个子网
等长子网划分——划分4个网段
网段计算的注意事项

计算机之间连接方式—路由器连接

我们知道如果全世界都用交换机连接网络的话，会导致广播风暴，即，当在由交换机连接网络的时候，两台计算机通信，首先会发ARP广播得到对方的MAC地址，于此同时交换机就会记录经过交换机的数据包传过的MAC，全世界那么多电脑，这样会导致要询问全世界的电脑MAC地址，很明显占用网络资源非常严重，所以不适用都是交换机来连接全世界的计算机，再说了，交换机连接是属于同一网段的网络，这样也会导致IP地址肯定不够用的。

总结一下：同轴电缆，集线器，网桥，交换机连接的设备都是处于同一个网段，这也意味着他们连接的设备处于同一个广播域（一个设备发ARP广播包，全部连接在同一个网段都可以收到；网桥和交换机相比集线器同轴电缆来说，可以一定程度的隔绝冲突域。

所以我们引入了一个更实用的路由器，它所连接的网络是处于不同网段的网络，能够使得数据包在不同网段之间转换数据。

看橙色的大筐筐和紫色大筐筐，中间有个路由器，橙色的大筐筐就是192.168.1.0网段，紫色大筐筐是192.168.2.0网段。

在有路由器之后，想给对方发送数据时候，就不是直接发送ARP广播包询问对方的MAC地址了，而是先判断对方计算机的IP地址是否和原IP地址处于同一个网段：处于同一个网段：就发ARP广播询问对方MAC地址；处于不同网段：就通过路由器经行转发数据包（此时也会发ARP广播包，只不过是获取路由器网关的MAC地址）；

那如何通过路由器转发数据包呢？其实就是路由器的网关起作用。

网关这个相当于是路由器的接口,类似路由器众多IP地址中的一个，网关要和它相连的设备处于同一个网段，并且，与路由器相连的计算机需要给他们配置默认网关地址，默认网关就是经过路由器网关（接口）的IP地址，才可以经过这个对应的网关。

比如下图：路由器有两个网关，每个网关都只能通过和网关IP处于同一个网段的数据包。而对于左边的计算机2计算机3都需要设置默认网关：192.168.3.1，右边的计算机4和计算机5也需要设置默认网关192.168.4.1；这样才可以经过路由器网关。

一般网关的主机号都是设置位1，当然设置其他的号也行，只是大家习惯规定而以。

路由器可以隔绝广播域：即假如计算机2给同一网段的计算机3发送ARP广播包时候，并不会经过路由器转发到其他网段去，当路由器接收到这个ARP广播包时候，发现不是询问路由器的MAC地址，那么路由器就会丢弃数据包。隔绝两下图左右两边的广播域。

在路由器中，连接不同网段的数据，是通过路由器的网关来帮助转发的。比如假如上图计算机2和计算机5通信：（忽略了交换机记录MAC地址的过程，这里主要关注是路由器不同网段的数据发送过程）

首先判断不处于同一个网段，所以要路由器转发数据，由于路由器网关1的地址和计算机2处于同一个网段，所以计算机2首先会发一个ARP广播包，为了获取网关1的MAC地址；
然后就可以经过路由器，路由器发现这个数据包是给计算机5，然后就转发给网关2，转发给网关2的原因是因为计算机5和网关2处于同一个网段；
再由于还是不知道计算机5的MAC地址，所以网关2会发一个ARP广播包，询问得到计算机5的MAC地址后，就可以往计算机5发送数据了；
最后于此同时，计算机5也会返回一个响应包给计算机2。

假如有路由器，是处于同一个网段的转发数据包呢？ 比如上图的计算机2和计算机3通信，那么就是简单的同一个局域网通信了：

首先计算机2而判断出是处于同一个网段，计算机2就会发广播包询问计算机3的MAC地址；
此时经过交换机发送给计算机3和路由器，路由器由于发现不是要自己的MAC地址，那么就丢弃，计算机3发现是需要自己的ＭＡＣ地址就接收；
于此同时计算机3就返回响应包，告诉计算机2MAC地址是它，此时，经过交换机并不会再次广播给路由器，因为交换机有记忆每个端口MAC地址功能，能够准确精确给计算机2发回去响应数据包。
此时计算机2就可根据MAC和IP地址给计算机3发送数据包了。

现在我们再思考多一个场景：我们知道路由器是连接不同网段的网络的，那我假如路由器连接相同的网段，那数据包会发送过去吗？

答案是不会的，因为数据包发送的时候，会判断对方的IP地址是否和自己处于同一个网段，假如路由器相连接同一个网段的话，那就发一个ARP广播，但是我们知道路由器是有网关地址的，你要经过路由器相连的的另一台设备，那么先经过路由器，路由器的网关，那么数据包就会直接发送给网关了，路由器网关一看数据包，不是询问自己的MAC地址，那就丢弃啦，都不可能通过路由器转发到另一个设备中。

MAC地址

首先MAC地址是固化在网卡中的，每个MAC地址都是6个字节（48个bit）。

MAC地址分为两个部分：第一个部分是组织唯一标识符；第二个部分是网络接口标识符。

MAC地址是全球唯一的，由IEEE802标准会规定，标准会给厂家分配前三个字节，即MAC地址组织唯一标识符，后三个字节是厂家自家分配。

查询厂家的MAC地址前三个字节的网址：http://standards-oui.ieee.org/oui/oui.txt 我截个图给你们看看

也可以查看自家的MAC地址，如在cmd敲命令：ipconfig /all

不同操作系统的MAC地址可能表现得形式会有不一样。

特殊的MAC地址：当48bit，即6个字节都是1的时候，表示位广播地址，即ARP广播包MAC地址。由十六进制表示就是全是FF FF FF FF FF FF。

所以以后我们看到一些数据包，都是全1的，或者十六进制表示全F的MAC地址，要反应出这是广播数据包。

MAC地址的获取：当我们不知道对方的MAC地址时候，就会发一个ARP广播包，获取到对方的MAC地址时候，就会缓存对应的IP和MAC地址之间的映射（即对应关系），这就是ARP缓存机制。

IP地址

IP地址，互联网每一台计算机都有IP地址 IPV4是32位的IP地址，2019年11月25日已经使用完了； IPV6是32位的IP地址，目前使用的是IPV6的地址，有生之年都够用。

但是下面我说的都是IPV4,默认条件下。

下图位IP地址的表现形式

IP地址的组成：IP地址是由两部分组成，一部分是网络标识，另一部分主机标识。

那如何判断一个IP地址的网络标识和主机标识部分？

通过子网掩码结合IP地址去判断，子网掩码前面bit位全是1表示对应IP地址部分为网络标识，全为0对应IP地址表示为主机标识。

所以当我们说IP地址时候，是隐藏了IP地址对应的子网掩码的。只有配合了子网掩码才可以判断出一个IP地址的网络标识和主机标识的位置。

而我们通常说的处于统一网段的设备，即处于同一个网络标识的IP地址。

那么网段是如何计算的呢？

网段 = IP地址 & 子网掩码。即IP地址与子网掩码按位与。

子网掩码的主要作用就是用来计算网段的，判断多个IP地址是否处于同一个网段，它的作用就很重要；于此同时还是可以用来判断IP地址的网络标识和主机标识。

对于一个IP地址的网络标识可以用来判断IP地址处于哪一个网段；而对于主机标识，则表示处于这个网段上可以有多数台主机可以使用这个网段的IP地址。

比如上图的网段192.168.1.0，我们知道网络标识是192.168.1，而主机标识位有8个bit 即可以表示的数据范围是 0 ~ 28 – 1 = 0 ~ 255; 即有255 – 0 1 = 256 个主机号。

但是这0 ~ 255数据范围内，要扣去主机位全0，和主机位全1的，因为主机位全0的IP地址，表示网段的IP地址，主机位全1的IP地址，表示这个网段的广播包IP地址。所以这个192.168.1.0的网段可以有256 – 2 = 254台设备使用。

要理解这里的主机位全0，全1，这都是对二进制来说的，后面讲到子网划分和超网时候，可能以10进制形式书写的IP地址上对于IP地址后8位bit转换10进制写的时候，不都是0，也可能表示是网段的IP，或者广播包IP哦。

对比一下MAC地址全为1的广播包和处于某一个网段IP地址主机位全是1的广播包：

MAC地址全为1的广播包是在响应时候，只会得到目标IP地址的响应；而在某一个网段下，主机位全是1的IP地址广播包，返回响应的是，处于同一网段的响应都会返回；

IP地址的分类

只有A类B类C类的IP才可以分配给主机使用；以后对于一个IP地址，我们至少可以得到一个信息，通过IP地址的第一部分的数据判断它属于哪类的地址。

A类地址

A类地址，前8bit为网络部分，后24bit为主机部分；那子网掩码自然而然就知道是：255.0.0.0网络部分第一位为0；
所以我们知道网络部分可以表示的范围是 0 ~ 27 – 1 = 0 ~ 127;对于A类地址来说，网络部分还有一定的限定，网络部分全为0（8bit都为0）的网段不可以用，并且网络部分为127的网段作为保留网段，所以对于A类地址来说：网络部分的表示网段的适用范围是1~126；
对于主机部分，由于又24bit，分为3个字节，每个字节的范围是0~28-1 = 0~255;所以每个字节的数据个数又256，有3个字节，所以对于主机部分：能够表示主机的数量有256256256台，但是，由于主机部分也有限定：全0和全1不能给主机分配，所以最终A类地址，对于一个网段来说，主机数最大的容量是256*256*256-2台

所以当我们看到一个IP地址时候，至少需要有个反应，知道它是哪一类的地址。比如：123.123.232.1,看前面的8为二进制，也就是第一部分，显示的是123，属于1~126的A类地址范围呢，所以说这是一个A类网络的IP地址

B类地址

B类地址，网络部分为16bit,主机部分为16bit,所以子网掩码为：255.255.0.0；网络部分是以10开头，占两个bit; 所以说网络部分的最小值是：10 000000 00000000；转化为十进制 128.0；网络部分的最大值是：10 111111 11111111；转化为十进制 191.255; 我们这就可以知道第1部分的数据范围是128~191；第2部分的数据范围是0 ~ 255；那么主机ID，16个bit,分为两部分，对于B类地址的某一网段来说，主机最大数为256*256-2台；

虽然我们知道B类地址的网络部分是16个bit,但是整个IP地址（32位）区分位4个部分时候，网络部分就占了两个部分，但是我们可以根据第一部分的数据，判断IP地址属于哪一类的地址。

比如：129.124.123.1的IP地址,很明显看出这IP地址为B类地址，因为129属于B类地址的第一部分数据范围：128 ~ 191;

C类地址

D和E类地址

子网掩码的CIDN表示方法

通过这个方式，我们就可以一下子知道IP地址和子网掩码与此同时得到网段；

为什么需要子网划分

假如有个场景需求，我们要求分配200台计算机的IP地址，但是我希望这来200台计算机处于同一网段，很好想到，我们可以分配给它们200台计算机的C类IP地址，因为一个网段下的C类IP地址可以容纳主机最大数量是254台。比如分配：192.168.1.0/24网段下的，那么对于这个C类IP地址的网段：192.168.1.0/24使用200台后，还剩下54个此网段的IP地址可以用。这其实算是一个合理利用了。

假如我要分配500台计算机的IP地址处于同一网段下的呢？你发现对于C类地址来说，是不够用的，因为C类地址的网段最大容纳也是254台；那你可能会想，为了处于同一网段下，必须分配容量更大的IP地址才可以，你就想到B类地址，因为对于某一网段的B类地址可以容纳256*256 -2 = 65534 台主机，比如：128.100.0.0/16网段，但是当你分配500台计算机给128.100.0.0/16网段的B类地址时候，还剩下65304空闲的该网段的B类IP地址，此时你意识到，这是极大的浪费。

所以为了能够合理的利用IP地址的资源，我们需要对IP地址进行子网划分。

什么是子网划分

子网划分，我的理解就是把一个大的网段，划分为多个不同的小的网段，这多个不同的小网段就是大网段的子网；这样就可以合理利用该网段的IP地址，合理分配计算机的数量了。

至于如何划分多个不同的网段，也就是说，如何子网划分呢？

子网划分的方法就是：借助IP地址的主机位作为子网位，划分多个子网

而对于子网划分又分为两大类：

等长子网划分：将一个网段，分为多个子网，每个子网的可用IP地址数量是一样的。比如：对于 192.168.100.0/24这个网段，可以用IP地址数量为254，我将它划分为2个不同的子网，这2个子网的可用IP地址是一样的，每个子网的可用IP地址数量都是127个，这就是等长子网划分；
变长子网划分：划分一个网段时候，子网的可用IP地址数量是不一样。比如：对于 192.168.100.0/24这个网段，我把它划分为3个子网，分别给这三个子网分配的可用IP地址数量不一致就行了。