[嵌入式]一些 IoT 工程师应该了解的网络知识

IP地址分类(IPV4)

IP是可以分类的，你知道了吗？

首先，从IP地址说起，IP地址其实是一个32比特的整数，把这个32比特分为4段，每段8比特长，8比特正好是一个字节，把这个字节转换成十进制，用点隔开。这样4个数字三个点的表示方法就是我们现在大家熟悉的IP地址，如：192.168.1.1，其实，把这个IP地址写成二进制是这样的：

0d192 = 0b11000000

0d168 = 0b10101000

0d1 = 0b00000001

0d1 = 0b00000001

合起来： 192.168.1.1 = 0b11000000 10101000 00000001 00000001 = 0d3232235777

那这个IP地址真正的值就是整数：3232235777

以上例程中，0d开头的表示十进制数，0b开头的表示二进制数。

http://192.168.1.1 = http://3232235777

你不访可以在浏览器的地址栏里试下输入 http://3232235777 这种IP地址的表示方法，我这里是 OK 的，那你呢？

了解了IP地址的构成，那接下来言归正传，讲讲IP地址的分类吧。

IP 地址分为 5 类，分别是 A 类，B 类，C 类，D 类和 E 类。

为什么前面先讲 IP 地址的构成呢，因为分类用的到，把 IP 地址转成二进制，第一个比特为 0 的IP地址，也就是二进制以 0 开头的 IP 地址，为 A 类地址，10 开头的为 B 类地址，110 开头的为 C 类地址，1110 开头的为 D 类地址，1111开头的为 E 类地址。我们常用的是 A、B、C 类地址，D 类 IP 地址段是多播地址，E 类是保留段。

我们 IoT 工程师最常用的就是 A、B、C 类地址段，再把这三个段的具体范围用点分十进制表示出来。

A 类： 0 ~ 127

B 类： 128 ~ 191

C 类： 192 ~ 223

那这三类地址有什么区别呢？我们的路由器 IP 地址为什么通常都以 192.168 开头呢？下面我们分别聊一下这两点。

区别：A 类地址，一个网段可容纳 16777214 台主机；B 类地址，一个网段可容纳 65534 台主机，而 C 类地址，一个网段可容纳 254 台主机。为什么这样，下面会讲到。

特殊 IP 地址段：

A 类地址中的特殊地址段有：

广播地址段：以 0 开头的地址段广播地址段；

内网地址段：以 10 开头的地址段为内网地址段； (RFC 1918)

运营商私有地址段：以 100 开头的为运营商私有的地址段；如果你是移动宽带用户，理论上你从运营商这里得到的 IP 地址就应该是这个地址段，这也是所谓的移动宽带多个用户是共享一个公网 IP。

回环地址段，以 127 开头的地址段为回环地址；

B 类地址中的特殊地址段有： (RFC 1918)

无法获取 DHCP 时分配的 IP 地址段：如果你的设备获取 DHCP 失败，则会随机分配到一个以 169.254 开头的 IP 地址。

内网地址段：以 172.16 ~ 172.31 开头的地址段为内网地址段；

C 类地址中的特殊地址段有：

内网地址段：以 192.168 开头的地址段为内网地址段； (RFC 1918)

特殊地址段：以 192.0.0 开头的地址段为特殊地址段； (RFC 5736)

测试地址段：以 192.0.2 开头的地址段为测试地址段； (RFC 5737)

测试地址段：以 192.18 ~ 192.19 开头的地址段为测试地址段；

测试地址段：以 192.51.100 开头的地址段为测试地址段； (RFC 5737)

测试地址段：以 203.0.113 开头的地址段为测试地址段； (RFC 5737)

说了那么多，IP 地址分了类，有什么用呢？请往下看。

无类域间路由

无类域间路由 (Classless Inter-Domain Routing —?CIDR)，这里的类，就是上面 A、B、C 类，无类就是打破这个类的规则，上面说到的 A、B、C 类 IP 地址段容纳的主机数是怎么回事呢？往下看。

先介绍下子网掩码，子网掩码这个词我相信大家都不陌生了吧，很多时候将电脑的 IP 地址设置成 192.168.x.x，上面说过了，这是 C 类的内网地址，一般掩码会填 255.255.255.0，这是什么意思呢？255.255.255.0 是 C 类地址的默认掩码，同样，把 255.255.255.0 转换为二进制，为 0b11111111 11111111 11111111 00000000，很容易看出，这个掩码的前面有连续的 24 个 1，后面是连续的 8 个 0，把它和 IP 地址放在一起，就拿 192.168.1.1 来举例：

192.168.1.1 = 0b11000000 10101000 00000001 00000001

255.255.255.0 = 0b11111111 11111111 11111111 00000000

排一起：

11000000 10101000 00000001 00000001
11111111 11111111 11111111 00000000

这样，IP 地址和掩码对齐后，掩码的 1 和 0，分 IP 地址分为了两个部分， 0b11000000 10101000 00000001，和 0b00000001，即 192.168.1 和 1；

和掩码 1 对应的部分称为网络段，和掩码 0 对应的部分称为主机地址。

再来两个概念：网络地址和主机地址。

把上述 IP 地址的网络段部分保持不变，把主机地址变为全 0，则为上述 IP 地址所在的网段的网络地址；即 192.168.1.0

把上述 IP 地址的网络段部分保持不变，把主机地址变为全 1，则为上述 IP 地址所在的网段的广播地址；即 192.168.1.255

掩码的二进制都是全 1 到全 0，不然就是非法的，比如：255.255.254.0 是合法的掩码，而 255.255.253 就是不合法的掩码，如果不明白为什么，那转换成二进制一看就明白了，这里不多讲了。

所以有以上 IP 地址和掩码可以简写成 192.168.1.1/24，/24 就是掩码，表示有 24 个连续的 1 开头的 32 比特整数，实质上也就是 255.255.255.0。

A 类地址的默认掩码是：255.0.0.0

B 类地址的默认掩码是：255.255.0.0

C 类地址的默认掩码是：255.255.255.0

所以，A 类地址一共有 2 ^ (8 - 1) 个网段，去掉上述 0 外，实际可用的为 127 个网段，这是包括内网等特殊网段的，而每个网段可容纳的主机数是 2 ^ 24 – 2，则为 16777214 台主机，8 是掩码全 1 部分有 8 个 1，24 是掩码全 0 部分有 24 个 0，减去 2 是一个全 0 的网络地址和一个全 1 的广播地址。

同理， B 类地址一共有 2 ^ (16 - 2) 个网段，即 16384 个网段，这是包括内网等特殊网段的，而每个网段可容纳的主机数是 2 ^ 16 – 2，则为 65534 台主机；

再同理， C 类地址一共有 2 ^ (24 - 3) 个网段，即 2097152 个网段，这是包括内网等特殊网段的，而每个网段可容纳的主机数是 2 ^ 8 – 2，则为 254 台主机；

好了，终于到了 CIDR 登场的时候了。

也许大家有时也会看到过这样的 IP 地址和掩码吧，10.0.0.1 255.255.254.0，不是说 10 开头的是 A 类地址吗？A 类地址的掩码不就应该是 255.0.0.0 吗？这个组合合法吗？答案是肯定的，这个是合法的，这就是无类域间路由 — CIDR。就是为了根据实际需求，超越 A、B、C 类地地址的限制，对调整网段和主机数进行更合理的安排和划分。就拿上面的举例吧，10.0.0.1/23 (不知道这个写法的往前翻翻，这个文档前面有提到) 可容纳的主机数是 2 ^ 9 – 2，即 510 台主机。

那问题又来了，IP 地址分网络段和主机段有什么用呢？网络地址和广播地址有什么用呢？往下看。

交换机和路由器的区别

前面都是铺垫，纯理论知识，有了上面的理论，现在可以和实际结合了，交换机和路由器有什么区别呢？

还是要先从以太网讲起。以太网传输最终的识别信息是网卡的 MAC 地址，首先，我大概描述一下同网段之间的传输，注意，我只是用白话文方式描述原理，如果想了解具体细节的，请阅读相关文档。

网络拓普：

主机 A：IP：192.168.1.100/24 MAC：00:12:34:56:78:9A

主机 B：IP：192.168.1.101/24 MAC：00:12:34:56:2C:AB

场景：主机 A 发起通讯请求，欲与主机 B 交互数据

1. 主机 A 比对自己的 IP 和 目标 IP，在同一网段；
2. 主机 A 发起 ARP 广播，内容为：目标 IP 为 192.168.1.101，本机 MAC 为 00:12:34:56:78:9A；
3. 只要在同网络且网段下在线的主机，均能收到该广播；
4. 除主机 B 外，其它主机收到广播后，比对主机 A 的目标 IP 不是本机，则忽略广播；
5. 主机 B 收到广播后，经比对，自己的 IP 和主机 A 广播的目标 IP 吻合，则把自己的 MAC 通过 ARP 广播应答主机 A；
6. 双方通过 MAC 建立通讯；

当然，这时交换机还做了很多事，比如维护 ARP list 等，这里就不展开了，感兴趣的可以去关心下集线器(HUB)，网桥(Bridge)，交换机(Switch) 的区别，及以太网的冲突域(CSMA/CD)，内容太多了，讲下去没完没了了。

那不同网段呢？

网络拓普：

主机 A：IP：192.168.1.100/24 MAC：00:12:34:56:78:9A

主机 B：IP：192.168.1.101/24 MAC：00:12:34:56:2C:AB

主机 C：IP：192.168.10.102/24 MAC：00:12:34:56:54:71

路由器A Port A：IP：192.168.1.1/24 MAC：00:12:34:56:D1:BB

路由器A Port B：IP：192.168.10.1/24 MAC：00:12:34:56:D1:BC

场景：主机 A 发起通讯请求，欲与主机 C 交互数据

1. 主机 A 比对自己的 IP 和 目标 IP，不在同一网段；
2. 主机 A 发起 ARP 广播，内容为：目标 IP 为192.168.10.102，本机 MAC 为 00:12:34:56:78:9A，广播的目标 IP 则为网关（路由器 A），即 192.168.0.1；
3. 只要在同网络且网段下在线的主机，均能收到该广播；
4. 除路由器 A 外，其它主机收到广播后，比对主机 A 的目标 IP 不是本机，则忽略广播；
5. 路由器 A 收到广播后，经比对，自己的 IP 和主机 A 广播的目标 IP 吻合，则把自己的 MAC 通过 ARP 广播应答主机 A；
6. 路由器 A 把主机 A 的目标 IP 与 其它端口的 IP 网段比对，如果在同一网段，则重复上述 ARP 广播的过程，如果不在同一网段，则再把请求发到自己的网关(上级路由器)上；
7. 路由器A 在端口 B 上发出 ARP 广播，内容为目标 IP 为 192.168.10.102，本机 MAC 为 00:12:34:56:D1:BC；
8. 主机 C 收到广播后，经比对，自己的 IP 和路由器 A 广播的目标 IP 吻合，则把自己的 MAC 通过 ARP 广播应答路由器 A；
9. 路由器 A 再通过端口 A 把应答转给 主机 A；
10. 双方通过路由器 A 建立通讯；

好了，总结一下：

• 集线器组成一个冲突域；
• 网桥切断冲突；
• 交换机其实相当于每个端口都是一个网桥，它组成的是一个广播域；
• 路由器切断了广播，承载着不同网段数据的交互；

最后值得一提的是，我们常用的宽带路由器是在普通路由器里固定设置了 NAT 转发功能，因为它的一端是可能是公网地址，而另一段肯定是内网地址，这样，它其实需要的是单向传输，有设置过端口转发经验的朋友应该注意到了，只有通过这样的设置，才能从公网反连到内网上的某台主机，这个我计划后面会另写一篇相关技术的文档，这里不再展开了，也正因为这个原因，有些地区把这种宽带路由器称为 IP 地址分享器。

欢迎来我的TT家园参观，或发邮件给我。