上一篇文章给大家介绍了 OSI 参考模型的第二层，主要包括交换机的 MAC 数据库建立过程、二层寻址等，还记得前面提到的 IP 地址吗？

上期回顾

电脑、手机、智能家居等一切可以入网的设备都有网卡，网卡会被烧录一个独一无二的 MAC 地址，MAC 地址用于二层通信，但想要在更加复杂庞大的互联网上通信还不够。我们前面说过，MAC 地址具有局限性，想要在庞大的网络上通过 MAC 地址找到另一张网卡会有重重困难，因此还需要有另外一个地址来帮助数据传输，这个地址就是 IP 地址。而 ARP（地址解析协议）可以将 IP 地址解析为 MAC 地址，这样我们就可以获得整个子网内的所有 MAC 地址，向子网上所有主机发送数据了。

IP 地址和子网掩码

我们知道，MAC 地址包含厂商编号和设备编号，只能区分厂商，不能表示所在的网络，那想要在更大规模的网络上通信怎么办？这时候促使了网络层的诞生，网络层使用了一套新的地址，地址包含所处的网络信息以及在网络内的编号，帮助我们区分计算机到底处于哪个网络，这个地址就叫做网络地址，可以简称为“网址”。这时候，一个计算机就同时具有 MAC 地址和网络地址了。有所区别的是，MAC 地址是烧录在网卡中的，不可随意更改且伴随网卡终身；而网络地址是由别人分配，可以随意更改，不同网络中会分配到不一样的地址，是帮助区分计算机所处的网络的逻辑地址。数据想要从一个主机到另一个主机最终还是要通过 MAC 地址。

TCP/IP 网络中，网络层使用的是 IP 地址，我们现在使用的 IP 地址有 IPv4 地址和 IPv6 地址，IPv4 是网际网协议第四版（Internet Protocol Version 4），地址大约有 43 亿个，IPv6 是网际网协议第六版（Internet Protocol Version 6），地址有 2^128-1 个。本文中以大家见得更多的 IPv4 地址为例。在电脑上查看到的 IP 地址一般是这个样子：

第一行：网卡的名字，可以看出这是一块无线网卡；

第二行：有 DNS 服务器的域的网络 DNS，可以不去管它。DNS 是域名系统，后文会解释；

第三行：IPv6 链路本地地址，当前无 IPv6 环境，此地址用于诸如自动地址配置、邻居发现或无路由器存在的单链路的寻址；

第四行：IPv4 地址，就是当前网卡被分配到的 IPv4 地址；

第五行：子网掩码，用来标识 IP 地址，稍后解释；

第六行：默认网关，帮助我们访问其他子网。

IP 地址也分为两段，一段表示网络位，一段表示主机位。

IPv4 地址由 32 位二进制数表示，但为了方便书写和记忆，我们通常分成四段，并转换为十进制数，中间用“.”隔开，写成点分十进制的形式。

单看图上的 IP 地址，能区分哪里是网络位哪里是主机位吗？好像并不能，IP 地址并没有像 MAC 地址那样规定，这时候就需要子网掩码的配合了。子网掩码是用来描述 IP 地址中的主机部分和网络部分的，并规定，网络部分掩码全为 1，主机部分掩码全为 0，看下图：

IP 地址和子网掩码的实际形态都是二进制的形式，掩码也和 IP 地址一样，也都是 32 位的二进制数，这样就可以和 IP 地址一一对应。如图上所示，其中 192.168.1 对应的掩码为 1，因此该  IP 地址的网络位就是 192.168.1，通常写作 192.168.1.0/24，24 的意思就是掩码有 24 个 1，换算成十进制就对应着前三段。主机位就是最后那个 1 了，对应的掩码全为零。再看主机位转换成二进制后的样子，如果主机位的 IP 部分全为零，那么表示网络号，也就是我们前面说的 192.168.1.0/24 这个网络号。如果主机位 IP 部分全为 1，那么表示这是一个广播地址。

网络部分通常都是固定的，不会随便修改，不同的网络号就是不同的网络了，但主机部分是可变的，这个可变的空间就表示可分配的 IP 地址数量。注意，这里说的所有变化都需要先转换成二进制。现在主机位有 8 位二进制数，每一位二进制数都有 0 和 1 两种可能，那就有 256 种可能，意味着有 256 个可用的 IP 地址，但在实际网络中主机位全为 0 和全为 1 不会分配给计算机，去掉这两个就是 254 个可用 IP。

十进制和二进制的互相转换大家可以用计算器算一下，或者直接找网上 IP 地址计算的工具。下图是一个在线的 IP 地址计算工具。

那要怎么比较两个 IP 地址是否在同一个网络呢？需要将两个 IP 地址与各自的子网掩码分别进行运算（运算规则：二进制下，若 IP 和掩码都为 1 ，运算结果为 1，否则为 0），比较各自得出的结果，完全一致才叫同一个网段。比如说 192.168.1.1/24 和 192.168. 2.1/24，很显然这不是同一个网络，虽然只有一个数字不同那也不是同一个网络。

IPv4 地址不够用了

最初互联网只是设计给美国军方用的，设计者也没有想到它会变成今天这个庞大的全球性网络。早在二十年前，IPv4 地址枯竭的严峻问题已经摆在了专家面前，但事实上，在 2019 年 11 月26 下午，欧洲网络信息中心（RIPE NCC）才宣布最后一个 IPv4 地址区块分配完毕，全球 43 亿 IPv4 地址全部耗尽。迄今为止，IPv4 地址使用已经超过 30 年。这中间发生了什么事情，使得 IPv4 地址枯竭延缓了近二十年呢？

通过前面的介绍我们知道，所有需要入网的设备都需要有 IP 地址，网络中的节点也都需要 IP 地址标识，而且这个标识必须是全球唯一的，这样才能保证消息准确送达。互联网就像是一个全球性的邮政系统，IP 地址就是一个完整的地址，包含了国家、省市、区、街道小区门牌号。全球大约有 43 亿 IPv4 地址，这个数字看上去还挺庞大，但早在 2018 年，全球网民数量就破 40 亿了，还没有算上互联网中的各种网络节点。更糟糕的是，IPv4 地址不是逐个分配的，而是逐段分配。目前 IPv4 地址被分为五类，其中 D 类是组播地址，E 类是保留地址，不分配给网络节点。例如，A 类地址有 127 段，每段大概有 1678 万个可用地址，一般会给超大型组织/机构分配 A 类地址，但一个组织很难用完这么多地址，造成地址的极大浪费。很快互联网的专家们就意识到这样下去地址就要消耗殆尽了，必须要采取措施延缓这个情况，同时找到 IPv4 的替代方案。

这里面也有一些特殊用途的 IP 地址：

为了缓解 IPv4 地址匮乏的情况，提出了 NAT（Network Address Translation，网络地址转换） 协议。NAT 的出现可以说让 IPv4 重获新生，让它在如此严峻的情况下又支撑了近二十年，直到今天我们能够向 IPv6 过渡。IPv4 地址定义了公网地址和私网地址，NAT 的核心就是公网地址和私网地址的互相转换。公网地址就是用在公网上，具有唯一性，要获得公网地址，需要向运营商申请。私网地址就是我们用在局域网内部，可重复使用，任意配置的地址。这样就意味着一个结构只需要申请很少的几个 IP 地址就可以实现在公网上的通信了，虽然需要拿出一部分用作私网地址，但是私网地址是可以重复使用的，利用率大大提高。

那如何知道自己有没有用到 NAT 呢？其实很简单，首先打开任意浏览器搜索“IP”，可以查询到本机 IP，这一定是个公网地址，而且其中包含了位置信息。然后可以在自己的电脑或者手机上看一下 IP，百分之八十以上的用户一定会发现这两个地址不一样，然后再把自己手机或电脑的 IP 放到刚刚的查询栏中查询，提示来自本地局域网，这就意味着你经过了 NAT，甚至是多次 NAT。不少人会因为自己“被 NAT 了”而不开心，这对于我们来说也不完全是一件坏事，首先 NAT 让 IPv4 撑到 IPv6 协议逐渐成熟，并有足够的时间完成向 IPv6 的过渡； 其次，NAT 技术隐藏了内网情况，一定程度上保证了内网安全。当然 NAT 确实会导致某些应用出现通信问题，但现在也有很成熟的 NAT 穿越技术，实在不行也可以去申请公网地址。

不在同一个二层网络怎么办呢

回顾一下前面的内容，想要发送数据，首先要知道这两个信息——对方的 MAC 地址和 IP 地址，主机发送一个数据包，会先对比目的 IP 地址和自己是否在同一个网络，如果在同一个网络就通过 ARP 获取到相应的 MAC 地址，然后将数据发出去；如果不在同一个网段，那目的 MAC 地址就会变成网关的目的 MAC，目的 IP 不变，网关会帮我们把消息送出去。

网关现在也叫路由器。路由器里面也会存着一张表，这个表叫路由表，存的是网段和接口的对应关系，大概长这样：

路由器会根据这个表帮我们把数据送到目的地。如果说互联网是邮政系统的话，这个表就是路由器的地图，有了地图才能根据地址送消息。网络上有千千万万台路由器，都会有这样的地图，它们互相配合，才能实现互联网上的数据通信。

是不是发现我们平时访问的网址不长这样呢？比如说百度我们访问 baidu.com，或者是 

https://www.baidu.com/ 这样的网址，这二者是如何互相转换的呢？用户端要如何配置才能上网呢？下篇文章将继续为大家讲述。

扩展阅读

入网指南 01 | 一文读懂你身边的「网络」

入网指南 02 | 当你发消息的时候，发生了什么

入网指南 03 | 交换机在交换什么？