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计算机网络: IP地址,子网掩码,网段表示法,默认网关,DNS服务器详解

楔子:

以Windows系统中IP地址设置界面为参考(如图1), IP地址, 子网掩码, 默认网关 和 DNS服务器, 这些都是什么意思呢?

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学习IP地址的相关知识时还会遇到网络地址,广播地址,子网等概念,这些又是什么意思呢 ?

 

 

一 IP地址

概述

计算机要实现网络通信,就必须要有一个用于快速定位的网络地址。IP地址就是计算机在网络中的唯一身份ID,与现实世界中快递的配送需要有具体的住宅地址是一个道理。

ip地址以圆点分隔号的四个十进制数字表示,每个数字从0到255,如某一台主机的ip地址为:128.20.4.1

IP地址的组成

IP地址 = 网络地址 + 主机地址(又称:主机号和网络号组成)

想想,为什么会有行政区划的划定(国家、省市区、街道等),为了更加高效的进行管理、定位;

相同的,我们通常将网络也可以分为很多的子网络,每个子网络有自己的网络地址,每个子网络由很多的计算机组成(当然也可以包含另外一个子网络)。

我们要找到指定的IP地址,只要先找到指定的网络地址,然后再该网络内找到对应的主机地址即可。

 

IP地址是一个 4 * 8bit(1字节)由 0/1 组成的数字串(IP4协议)

以文章开通 win7 截图中 的 IP地址 192.168.1.168, 子网掩码 255.255.255.0(下文有详解) 为例,  这个地址中包含了很多含义:

192.168.100.168(IP地址) = 192.168.1.0 (网络地址) + 0.0.0.168(主机地址

 

网络地址、主机地址是怎么计算出来的呢?我们需要先简单学习下子网掩码
二 子网掩码(subnet mask)

参照:《百度百科-子网掩码

IP中的网络地址和主机地址各是多少位表示呢?如果不指定,就不知道哪些位是网络号、哪些是主机号,这就需要通过子网掩码来实现。

概述

子网掩码又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩,是一个 4 * 8bit(1字节)由 0/1 组成的数字串。

它的作用是屏蔽(遮住)IP地址的一部分以划分成网络地址和主机地址两部分,并说明该IP地址是在局域网上,还是在远程网上。

通过子网掩码,可以把网络划分成子网,即VLSM(可变长子网掩码),也可以把小的网络归并成大的网络即超网。

子网掩码不能单独存在,它必须结合IP地址一起使用。

 

子网掩码的规则

长度 为 4 * 8bit(1字节),由 连续的1 以及 连续的0 两部分组成,

例如:11111111.11111111.11111111.00000000,对应十进制:255.255.255.0

假设,局域网中 计算机A 的IP地址为 192.168.1.1,子网掩码为 255.255.255.0, 如下图所示:

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网络地址: IP 地址中被 连续的1 遮住的部分,即 11000000.10101000.00000001.00000000, 对应的网络地址:192.168.1.0

主机地址: IP 地址中被 连续的0 遮住的部分,即 00000000.00000000.00000000.00000001, 对应的网络地址:0.0.0.1

排除 该网络 两个特殊地址:

广播地址:192.168.1.255  (主机号全为11111111)(广播机制及类型见:http://baike.baidu.com/view/473043.htm)

网络地址:192.168.1.0    (主机号全为00000000)

该子网最大的主机数:2的8次方 256 – 2

 

  其他信息:

A类地址来说,默认的子网掩码是255.0.0.0;对于B类地址来说默认的子网掩码是255.255.0.0;对于C类地址来说默认的子网掩码是255.255.255.0。

 

三 通过子网掩码计算网络地址

参考:《IP地址,子网掩码,默认网关,DNS服务器详解

计算方法

计算过程是这样的:

1. 将IP地址和子网掩码都换算成二进制;

2. 将两者进行 “与运算”,得到网络地址。

计算过程:上下对齐,  1位1位的算, 1与1=1 , 其余组合都为0

1 0 1 0

与运算  1 0 1 1

——————-

结果   1 0 1 0

假设 IP地址为 192.168.1.168,子网掩码为 255.255.255.0, 则网络地址换算步骤如下:

1)将IP地址和子网掩码分别换算成二进制

192.168.1.168 换算成二进制为 11000000.10101000.00000001.10101000
255.255.255.0 换算成二进制为 11111111.11111111.11111111.00000000
2)将二者进行与运算

11000000.10101000.00000001.10101000

与运算  11111111·11111111·11111111·00000000

—————————————————————————-

结果   11000000.10101000.00000001.00000000

3) 将运算结果换算成十进制: 192.168.1.0

 

立即实践

以用网线直接将两台计算机连起来为例:

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下面是几种IP地址设置, 看看在不同设置下网络是通还是不通.

 
实验

编号

1号机器 2号机器 网络连通
IP地址 子网掩码 网络地址 IP地址 子网掩码 网络地址
1 192.168.0.1 255.255.255.0 192.168.0.0 192.168.0.200 255.255.255.0 192.168.0.0 Y
2 192.168.0.1 255.255.255.0 192.168.0.0 192.168.1.200 255.255.255.0 192.168.1.0 N
3 192.168.0.1 255.255.255.192 192.168.0.0 192.168.0.200 225.225.225.192 192.168.0.192

 

说明:第1种情况能通是因为这两台计算机处在同一网络192.168.0.0, 所以能通,而2,3种情况下两台计算机处在不同的网络,所以不通.

网络地址的计算过程同上,不再赘述。

结论:

用网线直接连接 或 通过 HUB(集线器)、普通交换机链接的计算机必须处于同一网络(网络地址) 并且主机地址必须不一样 才能通信。

  注意:同一网络不是指物理连接,而是指网络地址.

举个例子,两台计算机链接到相同路由器(简单理解为同一个链路),如果他们设置的网络地址不一致,则他们也是不能通信的。

 

  扩展:IP网段表示法

举例说明:192.168.0.0/24

192.168.0.0: 网络地址

24: 表示子网掩码二进制表示法中,连续的 1 的 个数,这里为:11111111·11111111·11111111·00000000,即 255.255.255.0

 

四. 默认网关(地址)

参考:《百度百科-网关

什么是网关?

(可以联想下海关?什么是海关?)

连接两个不同的网络的设备都可以叫网关设备;网关的作用就是实现两个网络之间进行通讯与控制。

网关设备可以是 交互机(三层及以上才能跨网络)、路由器、启用了路由协议的服务器、代理服务器、防火墙等

网关地址就是网关设备的IP地址。

 

假设我们有两个网络:

网络A的IP地址范围为“192.168.1.1~192.168.1.254”,子网掩码为255.255.255.0

网络B的IP地址范围为“192.168.2.1~192.168.2.254”,子网掩码为255.255.255.0

要实现这两个网络之间的通信,则必须通过网关。

如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中,就把数据包转发给它自己的网关,再由网关转发给网络B的网关,网络B的网关再转发给网络B的某个主机(如附图所示)。网络A向网络B转发数据包的过程。

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只有设置好网关的IP地址,TCP/IP协议才能实现不同网络之间的相互通信。

 

默认网关 

一台主机可以有多个网关。默认网关的意思是一台主机如果找不到可用的网关,就把数据包发给默认指定的网关,由这个网关来处理数据包。现在主机使用的网关,一般指的是默认网关。

 

扩展:自动设置默认网关

自动设置就是利用DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol, 动态主机配置协议)服务器来自动给网络中的计算机分配IP地址、子网掩码和默认网关 。

一旦网络的默认网关发生了变化时,只要更改了DHCP服务器中默认网关的设置,那么网络中所有的计算机均获得了新的默认网关的IP地址。这种方法适用于网络规模较大、TCP/IP参数有可能变动的网络。

另外一种自动获得网关的办法是通过安装代理服务器软件(如MS Proxy)的客户端程序来自动获得,其原理和方法和DHCP有相似之处。

扩展说明

  问:在网上看到一些人提问:连接到相同(二层)交换机或集线器上的计算机,如果设置不同的网络地址,为什么不能通信。

  答:

    在 TCP/IP 协议中,网络层(通过IP地址识别通信方)封包完成交给下一层数据链路层(通过MAC地址识别通信方)时,需要通过 ARP 广播 获取目标 IP 对应的 MAC 地址。

但因为 ARP 报文只能在相同网络地址内广播,如果目标计算机与源计算机处于不同网络,则无法进行响应,因此源计算机无法完成链路层数据的封装。

ARP 协议相关信息可见 这里

 

五. DNS服务器

参考:《DNS原理及其解析过程

  域名与DNS

我们访问一个网站的时候,往往使用的是域名(相对IP来说更加语义清晰、更加容易记忆,例如 www.baidu.com)。

域名是由一串用点分隔的名字组成的,通常包含组织名,而且始终包括两到三个字母的后缀,以指明组织的类型或该域所在的国家或地区。

然而计算机之间的通信网络通信是通过IP进行的, 因此需要将域名解析为对应的IP,DNS就是进行域名解析的服务器。

DNS 维护着 域名(domain name)和IP地址 (IP address)的对照表表,以解析消息的域名。

 

DNS 查询的过程如下图所示

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DNS 维护着 域名(domain name)和IP地址 (IP address)的对照表表,以解析消息的域名。

1、在浏览器中输入www.qq.com域名,操作系统会先检查自己本地的hosts文件是否有这个网址映射关系,如果有,就先调用这个IP地址映射,完成域名解析。

2、如果hosts里没有这个域名的映射,则查找本地DNS解析器缓存,是否有这个网址映射关系,如果有,直接返回,完成域名解析。

3、如果hosts与本地DNS解析器缓存都没有相应的网址映射关系,首先会找TCP/ip参数中设置的首选DNS服务器,在此我们叫它本地DNS服务器,此服务器收到查询时,如果要查询的域名,包含在本地配置区域资源中,则返回解析结果给客户机,完成域名解析,此解析具有权威性。

4、如果要查询的域名,不由本地DNS服务器区域解析,但该服务器已缓存了此网址映射关系,则调用这个IP地址映射,完成域名解析,此解析不具有权威性。

5、如果本地DNS服务器本地区域文件与缓存解析都失效,则根据本地DNS服务器的设置(是否设置转发器)进行查询,如果未用转发模式,本地DNS就把请求发至13台根DNS,根DNS服务器收到请求后会判断这个域名(.com)是谁来授权管理,并会返回一个负责该顶级域名服务器的一个IP。本地DNS服务器收到IP信息后,将会联系负责.com域的这台服务器。这台负责.com域的服务器收到请求后,如果自己无法解析,它就会找一个管理.com域的下一级DNS服务器地址(qq.com)给本地DNS服务器。当本地DNS服务器收到这个地址后,就会找qq.com域服务器,重复上面的动作,进行查询,直至找到www.qq.com主机。

6、如果用的是转发模式,此DNS服务器就会把请求转发至上一级DNS服务器,由上一级服务器进行解析,上一级服务器如果不能解析,或找根DNS或把转请求转至上上级,以此循环。不管是本地DNS服务器用是是转发,还是根提示,最后都是把结果返回给本地DNS服务器,由此DNS服务器再返回给客户机。

 

五. 附录

未在文中说到的相关知识点:

IP地址分类(A/B/C/D/E/F类)

计算机网络七层结构模型: 开放式系统互联通信参考模型(简称为OSI模型)

TCP/IP 协议族

ARP协议的简明工作流程

ARP协议处理详细过程-交换机工作原理-及广播风暴问题分析

交换机、路由器、网关的概念以及用途

交换机与路由器的区别,以及2层-7层交换机的区别

 

  工具:

eNSP(Enterprise Network Simulation Platform) 

一款由华为提供的免费的、可扩展的、图形化操作的网络仿真工具平台,主要对企业网路由器、交换机进行软件仿真,完美呈现真实设备实景,支持大型网络模拟,让广大用户有机会在没有真实设备的情况下能够模拟演练,学习网络技术。

 

PS:没想到对整个网络体系知识的学习、整理、归纳、排版竟然花去了 1 天多的时间。


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  1. ddd
    admin2019-02-12 15:24 回复