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1.3 IPv4 编址与通信原理 ​

📚 核心学习框架：“四位一体”

本章节提倡 “理论 → 实验 → 抓包 → 场景” 的闭环学习法。 不要死记硬背，要通过 Ping 的过程来串联 IP、ARP、MAC 和 路由 的关系。

1.‌ 底层基础：进制与模型 ​

在深入 IP 地址之前，我们需要掌握计算机的“语言”和通信的“规则”。

1.‌1 进制扫盲 (The Language of Machines) ​

  • 二进制 (Binary)：机器语言，只有 0 和 1。
    • 单位：bit (位)。8 bit = 1 Byte (字节)。
    • 带宽换算：网络带宽单位是 bps (bits per second)。注意换算率为 1000 (1 Gbps = 1000 Mbps)，而非 1024。
  • 十六进制 (Hex)：二进制的“缩写”，用于 MAC 地址和 IPv6。
    • 规则：0-9 和 A-F。1位十六进制 = 4位二进制。
🧮 进制转换心法（点击展开）

1. 二进制 → 十进制 (加法) 每位数字乘以 2 的幂（对应位置）然后求和。

  • 示例 11000011：
    • (1 \times 2^7 = 128)
    • (1 \times 2^6 = 64)
    • (1 \times 2^1 = 2)
    • (1 \times 2^0 = 1)
    • 结果：(128 + 64 + 2 + 1 = \mathbf{195})

2. 十进制 → 二进制 (减法) 用这个数依次减去最大的 2 的幂 (128, 64, 32...)，能减则对应位记 1，否则记 0。

1.‌2 网络模型：数据的“打包运输” ​

理解 TCP/IP 四层模型 是排错的基础：

层级核心协议功能类比关键动作
应用层HTTP, SSH, FTP发快递产生数据，通过端口号区分应用 (HTTP:80)。
传输层TCP, UDP选物流TCP (可靠, 三次握手, 像打电话); UDP (快, 不可靠, 像发传单)。
网络层IP, ICMP, ARP查地图负责编址和寻址。核心是 IP 地址。
链路层Ethernet跑货车封装成帧，用 MAC 地址在局域网内传输。

2.‌ IPv4 编址详解 ​

2.‌1 IP 地址结构 ​

  • 定义：32位二进制，点分十进制表示 (如 192.168.1.1)。
  • 组成：网络位 (社区名) + 主机位 (门牌号)。

2.‌2 地址分类 (Classful & Private) ​

  • A类 (0-127): 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255。默认掩码 /8。
    • 0.0.0.0: 未指定地址。
    • 127.0.0.0/8: 本地环回 (Localhost)。
  • B类 (128-191): 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255。默认掩码 /16。
  • C类 (192-223): 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255。默认掩码 /24。
  • D类 (224-239): 组播 (Multicast)。
  • E类 (240-255): 保留。

必背：私有地址范围 (RFC 1918)

这些地址在公网上无法路由，专门用于局域网内部 (NAT)。

  • A类私网：10.0.0.0/8 (10.0.0.0 ~ 10.255.255.255)
  • B类私网：172.16.0.0/12 (172.16.0.0 ~ 172.31.255.255)
  • C类私网：192.168.0.0/16 (192.168.0.0 ~ 192.168.255.255)

3.‌ 子网划分 (Subnetting) 实战 ​

这是 HCIA 的重难点。我们放弃死记硬背，使用 “三步法” 进行计算。

3.‌1 核心概念 ​

  • CIDR (无类域间路由)：使用 /N (如 /24) 表示掩码。
  • VLSM (可变长子网掩码)：把大网段切成小网段 (掩码变长，如 /24 → /27)。
  • 超网/汇总：把小网段合并成大网段 (掩码变短，如 /26 → /24)。

3.‌2 计算神器：“三步法” ​

假设题目：计算 192.168.1.133/26 的网络信息。

第一步：确定“跨度” (Block Size) ​

  • 公式：(跨度 = 2^{(32 - 掩码位数)})
  • 计算：(32 - 26 = 6) 位主机位。
  • 跨度 = (2^6 = \mathbf{64})。
    • 这意味着子网是按 64 跳变的：0, 64, 128, 192...

第二步：找“网络号” (Network ID) ​

  • 方法：找到比目标 IP (133) 小，且最接近的“跨度倍数”。
  • 比较：0, 64, 128, 192...
  • 结论：128 是最接近 133 的基准数。
  • 网络地址：192.168.1.128

第三步：推算其他信息 ​

  • 广播地址：下一个网络号 (192) 减 1 = 192.168.1.191
  • 可用 IP 范围：网络号+1 ~ 广播地址-1 = 192.168.1.129 ~ 192.168.1.190

掩码速查表 (第四字节)

/25 (.128)/26 (.192)/27 (.224)/28 (.240)/29 (.248)/30 (.252)
2个子网4个子网8个子网16个子网32个子网互联专用

这段代码利用 Mermaid 的甘特图特性，形象地展示了 /26 掩码是如何从主机位里“抢”走 2 位作为子网位的。

图解：掩码是如何“切”IP的 ​

我们以 192.168.1.100/26 为例。标准的 C 类地址只有 24 位网络位，但 /26 意味着我们向主机位借了 2 位。

4.‌ 终极实战：Ping 通原理 (The Ping Flow) ​

当你在 PC1 (172.16.12.1) 上输入 ping 172.16.12.2 时，网络内部发生了什么？这是串联所有知识的绝佳案例。

阶段一：查路由与封装 (网络层) ​

  1. 查路由：PC1 检查目的 IP 172.16.12.2。发现掩码是 /24，计算出在同一网段。
  2. 准备发包：构建 ICMP Echo Request。
    • 源 IP：172.16.12.1
    • 目的 IP：172.16.12.2
  3. 封装受阻：要发数据帧，必须知道对方的 MAC 地址。此时 PC1 查本地 ARP 表，如果没找到，通信暂停。

阶段二：ARP 寻址 (关键步骤) ​

  1. 发送 ARP 请求 (广播)：
    • PC1 大喊：“谁是 172.16.12.2？请告诉 172.16.12.1！”
    • 报文特征：目的 MAC 为 FF:FF:FF:FF:FF:FF (广播)。
  2. ARP 应答 (单播)：
    • PC2 收到广播，发现是找自己的。
    • PC2 回复：“我是 172.16.12.2，我的 MAC 是 BB-BB。”
  3. 记录：PC1 收到后，将映射关系写入 ARP 缓存表。

阶段三：正式通信 (链路层) ​

  1. 发送 ICMP：PC1 补全数据帧的目的 MAC，将 Ping 包发出。
  2. 回显：PC2 收到包，原路回复 ICMP Echo Reply。
  3. 结果：屏幕显示 Reply from 172.16.12.2: bytes=32 time<1ms...

💡 学习建议

  • 死磕子网划分：找 10 个不同的 IP/掩码组合，反复用“三步法”练习。
  • 模拟器实践：在 eNSP/EVE 中配置两台路由器，Ping 通后使用 display arp 查看 ARP 表，验证上述流程。