一、IPv4编址和子网划分

1. IPv4地址概述

IPv4协议簇是TCP/IP协议簇中最重要的协议簇，主要工作在TCP/IP协议栈中的网络层，网络层可以提供数据传输功能，传输过程中可以按照IP报文逐个发送。

地址结构：IPv4地址长度为32位，包括网络位和主机为两部分
网络位：标识IP地址所属的网段
主机位：标识IP地址在网段中的具体节点

IPv4报文结构

版本：目前的IP协议版本号为4
服务类型：用于IP报文的标记，区分数据的重要度，多用于QoS
生存时间：IP报文所允许通过路由器的最大数量，每经过一台路由TTL会减少1，用于防环
协议：指出IP报文携带的数据库使用的协议（TCP还是UDP协议）
源IP地址：标识IP数据报的源端设备
目的IP地址：标识IP数据报的目的地址

2. IPv4地址分类

在早期网络中，IP地址没有掩码的概念。而是根据网络大小，按照"有类"的方式将网络划分为ABCDE五类。ABC类IP地址的网络位是固定的，DE类则没有网络位和主机位。可以根据网络位进行确定，网络位一致则可以理解为处于同一广播域。

如何根据首段地址区分网络类

计算A类的地址范围
0 XXXXXXX.主机位.主机位.主机位

最小： 0 XXXXXXX.主机位.主机位.主机位，将X全部换为0，转换为十进制= 0.主机位.主机位.主机位
当然IPv4地址不可能以0开头，所以+1得出：1.主机位.主机位.主机位
最大： 0 XXXXXXX.主机位.主机位.主机位，将X全部换为1，转换为十进制= 127.主机位.主机位.主机位
所以得出A类的地址范围为= 1 ~ 127

A类地址范围：1.0.0.0 ~ 126.255.255.255
B类地址范围：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
C类地址范围：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
D类地址范围：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
E类地址范围：240.0.0.0 ~ 247.255.255.255

3. 私有IP地址和特殊地址

私有地址只能应用在内网，在内网边界通过NAT将数据的所有地址转换为公网地址

A类地址中的私有地址：10.0.0.0至10.255.255.255
B类地址中的私有地址：172.16.0.0至172.31.255.255
C类地址中的私有地址：192.168.0.0至192.168.255.255

特殊地址

本地环回地址：127.X.X.X 【用于测试使用】
网络地址：例192.168.1.0/24 【主机位全为0，用于表示整个子网】
广播地址：例192.168.1.254/24 【主机位全为1，用于广播】
本地广播地址：255.255.255.255
未知地址：0.0.0.0 【网络位和主机位全为0】

4. 子网掩码与子网划分

子网掩码

用于区分IP地址中的网络位和主机位
子网掩码由连续的1和0组成：1对应网络位，0对应主机位

VLSM可变长子网掩码

使用多个不同的子网掩码把网络划分为不同大小的子网
改变子网掩码将大网络划分为若干个小网络

子网划分

子网的个数= 2^x （x代表子网的位数）
每个子网内有效的主机个数为 = 2^y-2 (y代表主机位数)

子网划分案例

# 192.168.10.213 255.255.255.192（26）

1、根据IPv4地址的首段判断，该地址为C类地址，子网掩码为 255.255.255.0（24）
2、计算子网位： 255.255.255.192 - 255.255.255.0 = 0.0.0.192  --> 将192转换为二进制得出 1100 0000
3、子网数：子网缩写运算，26-24=2，2^2=4个
4、主机数：32-26=6, 2^6=64个
5、有效主机数= 64-2=62（减去广播地址和网络地址）

5. CIDR子网聚合

CIDR，无类域间路由。将多个“有类”的子网合并成一个，用来减少路由表中的路由条目。在自然分类中，A类、B类和C类地址的网络位和主机位长度是固定的，分别对应着不同大小的网络和主机数量，这种固定的分类方式导致了IP地址空间的浪费和不均匀分配。

子网划分则是一种对网络进行更小粒度划分的技术，以进一步提高IP地址的利用率。然而，子网划分仍然受到原始分类的限制。CIDR不受制于A、B、C类地址空间的限制，它使用前缀长度来表示IP地址的网络部分的位数

CIDR消除了自然分类地址和子网划分之间的界限，使得IP地址的分配和路由选择更加统一和简化

6. 节约IP地址的技巧

在分配IP地址时，需要注意：

配置Loopback地址，使用的子网掩码为32
配置互联地址时，使用的子网掩码为/30
对业务网关进行统一设定，如网关设置为 x.x.x.254

二、ARP协议原理与应用

OSI参考模型将网络划分为7层，IP地址工作在第三层网络层中，MAC地址工作在第二层数据链路层。

在以太网发送IP数据包时，先封装网络层的包头再封装数据链路层的包头，由于在发送时只知道目标IP地址而不知道MAC地址，又不能跨越层，所以需要使用ARP地址解析协议。

ARP协议可以根据网络层IP数据包头中的IP地址信息解析出对应的MAC地址，确保通信。ARP协议不能穿越路由器，不能被转发到其它广播域中。

ARP缓存表：用于存储IP地址和经过解析的MAC地址对应关系。

1. ARP的工作流程和工作原理

工作流程

工作原理

先查看本地ARP表，如果本地ARP表中没有目的IP地址对应的MAC表项，则广播发送ARP请求包
源主机发送ARP request 请求包，请求目的主机的MAC地址
同网段内的所有主机都能收到ARP request请求包，但是只有目的主机才会回复ARP reply数据包【广播发送，单播回复】
源主机收到ARP reply 数据包后，将目的主机的 IP-MAC对应关系添加进ARP表中，完成数据的以太网封装【指的是将数据包封装在以太网帧中的过程，帧包含源和目的设备的MAC地址和数据本身】**，进行数据交互

具体的案例讲解

2. ARP缓存表

动态表项：通过ARP协议自动学习，可以被更新，缺省老化时间为120秒
静态表项：手动配置，不能被更新，没有老化时间限制

Windows系统查看ARP表项

arp -a

Linux系统查看ARP表项

arp -v

RGOS查看ARP表项

show arp

3. 免费ARP

免费ARP，也被称为Gratuitous ARP或无故ARP，是一种特殊的ARP请求报文。

IP地址冲突检测：免费ARP报文通过广播的方式发送到网络中，如果某台主机使用了当前主机的IP地址，则会回复一个ARP响应；收到ARP响应后，主机会发出IP地址冲突的警告。
更新ARP表项：当某台主机的MAC地址变化或IP地址变化，该主机会发送免费的ARP广播，网络中所有主机的ARP表项中如果存在该条目将会根据免费的ARP报文来更新自己的缓存表。

免费ARP报文还在一些特定场景中产生，如主机/系统启动期间进行网口/接口配置时，或者网卡进行了某些配置变动导致网口重新启动（如插拔网线、自动获取IP地址、手动更改IP地址、掩码、网关等参数）时。

4. 代理ARP

代理ARP（Proxy ARP）是ARP协议的一个变种，用于处理非自身发起的ARP请求。

提供网络通信效率和稳定性：在局域网中，当一个主机需要和另一个主机进行通信，它需要知道该主机的MAC地址。如果缓存表中没有对应的MAC地址，主机会发送ARP请求广播；代理ARP能够代替主机完成ARP协议的操作，响应ARP请求，并将主机的IP地址和MAC地址进行映射记录在本地缓存表中。
解决跨网段ARP请求：出现跨网段的ARP请求时，路由器会将自己的MAC地址返回给发起ARP广播请求的主机，实现MAC地址的代理（善意的欺骗），使主机能够通信。

ARP请求的源IP地址与路由器的IP地址处在同一个子网中，且路由器有ARP请求的IP地址的路由，代理ARP就可以使网络中的主机无需配置默认网关和路由策略，就能实现与其他网络中的计算机通信。

源IP地址与路由器的IP地址处于同一个子网中：发送ARP请求的主机与路由器在同一个网段中，在TCP/IP网络中，处于同一个网段的主机可以直接通信无需经过路由器转发。当主机需要获取目标主机的MAC地址时，会直接在本地子网中发送ARP广播
路由器有ARP请求的IP地址路由：即使发送ARP请求的主机与路由器同一网段，当请求的目标IP地址可能在另一个网段中。这样就需要路由器只能存在通往目标IP地址段的路由条目，这样才可以处理跨网段的通信
也就是说，代理ARP允许路由器代替目标主机响应ARP请求，路由器会告知发送ARP请求的主机，自己知道如何达到目标IP地址，并提供自身的MAC地址作为“下一跳”地址。这样主机可以将数据包发送到路由器，由路由器将数据包根据路由发送到目标网络中。

5. RARP反向地址解析协议

用于将物理地址（MAC地址）转换为网络层地址（IP地址）的协议。

它主要在以太网上实现，用于网络启动和其他情况下的动态IP地址分配。当一个设备需要知道相应的IP地址时，它会在网络上广播一个RARP请求包，拥有该IP地址的设备会向请求设备返回一个RARP响应包，从而告诉请求设备所需的IP地址。这种机制主要用于实现无盘系统的网络启动，例如某些工作站。

锐捷 | 子网划分与ARP协议原理