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？

　　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：

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：

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
实验编号	IP地址	子网掩码	网络地址	IP地址	子网掩码	网络地址	网络连通
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	255.255.255.0	192.168.0.192	N

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。

　　　　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

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) 》