IP

怎么查看 IP 地址吗？

当面试听到这个问题的时候，面试者常常会觉得走错了房间。面试的是技术岗位，怎么问这么简单的问题？
的确，即便没有专业学过计算机的人，只要倒腾过电脑，重装过系统，大多也会知道这个问题的答案：在 Windows 上是 ipconfig，在 Linux 上是 ifconfig。
在 Linux 上还有什么其他命令可以查看 IP 地址吗？答案是 ip addr。如果回答不上来这个问题，那可能没怎么用过 Linux。

ifconfig 和 ip addr 的区别吗？

这是一个有关 net-tools 和 iproute2 的“历史”故事。想象一下，登录进入一个被裁剪过的非常小的 Linux 系统中，发现既没有 ifconfig 命令，也没有 ipaddr 命令，是不是感觉这个系统压根儿没法用？这个时候，可以自行安装 net-tools 和 iproute2这两个工具。当然，大多数时候这两个命令是系统自带的。
安装好后，来运行一下 ip addr。不出意外，应该会输出下面的内容。

  1. root@test:~# ip addr
  2. 1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default
  3. link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
  4. inet 127.0.0.1/8 scope host lo
  5. valid_lft forever preferred_lft forever
  6. inet6 ::1/128 scope host
  7. valid_lft forever preferred_lft forever
  8. 2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
  9. link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
  10. inet 10.100.122.2/24 brd 10.100.122.255 scope global eth0
  11. valid_lft forever preferred_lft forever
  12. inet6 fe80::f816:3eff:fec7:7975/64 scope link
  13. valid_lft forever preferred_lft forever

这个命令显示了这台机器上所有的网卡。大部分的网卡都会有一个 IP 地址，当然，这不是必须的。在后面的分享中，会遇到没有 IP 地址的情况。IP 地址是一个网卡在网络世界的通讯地址，相当于现实世界的门牌号码。既然是门牌号码，不能大家都一样，不然就会起冲突。比方说，假如大家都叫六单元 1001 号，那快递就找不到地方了。所以，有时候咱们的电脑弹出网络地址冲突，出现上不去网的情况，多半是 IP 地址冲突了。
如上输出的结果，10.100.122.2 就是一个 IP 地址。这个地址被「点分隔为四个部分」，每个部分 「8 个 bit」，所以 IP 地址总共是 「32 位」。这样产生的 IP 地址的数量很快就不够用了。因为当时设计 IP 地址的时候，哪知道今天会有这么多的计算机啊！因为不够用，于是就有了 IPv6，也就是上面输出结果里面 inet6 fe80::f816:3eff:fec7:7975/64。这个有 128 位，现在看来是够了，但是未来的事情谁知道呢？
本来 32 位的 IP 地址就不够，还被分成了 5 类。现在想想，当时分配地址的时候，真是太奢侈了。
查看 IP 地址 - 图1
在网络地址中，至少在当时设计的时候，对于 A、B、 C 类主要分两部分，前面一部分是网络号，后面一部分是主机号。这很好理解，大家都是六单元 1001 号，我是小区 A 的六单元 1001 号，而你是小区B 的六单元 1001 号。
下面这个表格，详细地展示了 A、B、C 三类地址所能包含的主机的数量。在后文中，也会多次借助这个表格来讲解。
查看 IP 地址 - 图2
这里面有个尴尬的事情，就是 C 类地址能包含的最大主机数量实在太少了，「只有 254 个」。当时设计的时候恐怕没想到，现在估计一个网吧都不够用吧。而 B 类地址能包含的最大主机数量又太多了。6 万多台机器放在一个网络下面，一般的企业基本达不到这个规模，闲着的地址就是浪费。

无类型域间选路（CIDR）

于是有了一个折中的方式叫作「无类型域间选路」，简称「CIDR」。这种方式打破了原来设计的几类地址的做法，将 32 位的 IP 地址一分为二，「前面是网络号，后面是主机号」。从哪里分呢？如果注意观察的话可以看到，10.100.122.2/24，这个 IP 地址中有一个斜杠，斜杠后面有个数字 24。这种地址表示形式，就是 CIDR。后面 24 的意思是，32 位中，前 24 位是网络号，后 8 位是主机号。
伴随着 CIDR 存在的，一个是「广播地址」，10.100.122.255。如果发送这个地址，所有 10.100.122 网络里面的机器都可以收到。另一个是子网掩码，255.255.255.0。将子网掩码和 IP 地址进行 AND 计算。前面三个 255，转成二进制都是 1。1 和任何数值取 AND，都是原来数值，因而前三个数不变，为 10.100.122。后面一个 0，转换成二进制是 0，0 和任何数值取AND，都是 0，因而最后一个数变为 0，合起来就是 10.100.122.0。这就是「网络号」。将子网掩码和 IP地址「按位计算 AND」，就可得到网络号。

公有 IP 地址和私有 IP 地址

在日常的工作中，几乎不用划分 A 类、B 类或者 C 类，所以时间长了，很多人就忘记了这个分类，而只记得 CIDR。但是有一点还是要注意的，就是公有 IP 地址和私有 IP 地址。
查看 IP 地址 - 图3
继续看上面的表格。表格最右列是私有 IP 地址段。平时看到的数据中心里，办公室、家里或学校的 IP 地址，一般都是私有 IP 地址段。因为这些地址允许组织内部的 IT 人员自己管理、自己分配，而且可以重复。因此，你学校的某个私有 IP 地址段和我学校的可以是一样的。这就像每个小区有自己的楼编号和门牌号，你们小区可以叫 6 栋，我们小区也叫 6 栋，没有任何问题。但是一旦出了小区，就需要使用公有 IP 地址。就像人民路 888 号，是国家统一分配的，不能两个小区 都叫人民路 888 号。
「公有 IP 地址有个组织统一分配」，你需要去买。如果你搭建一个网站，给你学校的人使用，让你们学校的IT 人员给你一个 IP 地址就行。但是假如你要做一个类似网易 163 这样的网站，就需要有公有 IP 地址，这样全世界的人才能访问。
表格中的 192.168.0.x 是最常用的私有 IP 地址。你家里有 Wi-Fi，对应就会有一个 IP 地址。一般你家里地上网设备不会超过 256 个，所以 /24 基本就够了。有时候也能见到 /16 的 CIDR，这两种是最常见的，也是最容易理解的。
不需要将十进制转换为二进制 32 位，就能明显看出 192.168.0 是网络号，后面是主机号。而整个网络里面的第一个地址 192.168.0.1，往往就是你这个私有网络的出口地址。例如，你家里的电脑连接 Wi-Fi，Wi-Fi 路由器的地址就是 192.168.0.1，而 192.168.0.255 就是广播地址。一旦发送这个地址，整个192.168.0 网络里面的所有机器都能收到。但是也不总都是这样的情况。因此，其他情况往往就会很难理解，还容易出错。

举例：一个容易“犯错”的 CIDR

来看 16.158.165.91/22 这个 CIDR。求一下这个网络的第一个地址、子网掩码和广播地址。
你要是上来就写 16.158.165.1，那就「大错特错」了。
/22 不是 8 的整数倍，不好办，只能先变成二进制来看。16.158 的部分不会动，它占了前 16 位。中间的 165，变为二进制为 10100101 。除了前面的 16 位，还剩 6 位。所以，这 8 位中前 6 位是网络号，16.158.<101001>，而<01>.91 是机器号。
第一个地址是 16.158.<101001><00>.1，即 16.158.164.1。子网掩码是 255.255.<111111><00>.0，即 255.255.252.0。广播地址为 16.158.<101001><11>.255，即 16.158.167.255。
这五类地址中，还有一类 「D 类是组播地址」。使用这一类地址，属于某个组的机器都能收到。这有点类似在公司里面大家都加入了一个邮件组。发送邮件，加入这个组的都能收到。组播地址在后面讲述 VXLAN协议的时候会提到。
讲了这么多，才讲了上面的输出结果中很小的一部分，是不是觉得原来并没有真的理解 ip addr 呢？接着来分析。
在 IP 地址的后面有个 「scope」，对于 eth0 这张网卡来讲，是 global，说明这张网卡是可以对外的，可以接收来自各个地方的包。对于 lo 来讲，是 host，说明这张网卡仅仅可以供本机相互通信。
lo 全称是「loopback」，又称环回接口，往往会被分配到 127.0.0.1 这个地址。这个地址用于本机通信，经过内核处理后直接返回，不会在任何网络中出现。

MAC 地址

在 IP 地址的上一行是 link/ether 「fa:16:3e:c7:79:75」 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff，这个被称为「MAC 地址」，是一个网卡的「物理地址」，用「十六进制」，6 个 byte 表示。
MAC 地址是一个很容易让人“误解”的地址。因为 MAC 地址号称全局唯一，不会有两个网卡有相同的 MAC 地址，而且网卡自生产出来，就带着这个地址。很多人看到这里就会想，既然这样，整个互联网的通信，全部用 MAC 地址好了，只要知道了对方的 MAC 地址，就可以把信息传过去。
这样当然是不行的。一个网络包要从一个地方传到另一个地方，除了要有确定的地址，还需要有定位功能。而有门牌号码属性的 IP 地址，才是有远程定位功能的。
例如，你去杭州市网商路 599 号 B 楼 6 层找刘超，你在路上问路，可能被问的人不知道 B 楼是哪个，但是可以给你指网商路怎么去。但是如果你问一个人，你知道这个身份证号的人在哪里吗？可想而知，没有人知道。
MAC 地址更像是「身份证」，是一个唯一的标识。它的唯一性设计是为了组网的时候，不同的网卡放在一个网络里面的时候，可以不用担心冲突。从硬件角度，保证不同的网卡有不同的标识。
「MAC 地址是有一定定位功能的，只不过范围非常有限」。可以根据 IP 地址，找到杭州市网商路 599 号B 楼 6 层，但是依然找不到我，你就可以靠吼了，大声喊身份证 XXXX 的是哪位？我听到了，我就会站起来说，是我啊。但是如果你在上海，到处喊身份证 XXXX 的是哪位，我不在现场，当然不会回答，因为我在杭州不在上海。
所以，「MAC 地址的通信范围比较小，局限在一个子网里面」。例如，从 192.168.0.2/24 访问 192.168.0.3/24 是可以用 MAC 地址的。一旦跨子网，即从 192.168.0.2/24 到 192.168.1.2/24，MAC地址就不行了，需要 IP 地址起作用了。

网络设备的状态标识

解析完了 MAC 地址，再来看 < BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP >是干什么的？这个叫作net_device flags，网络设备的状态标识。
「UP」 表示网卡处于「启动」的状态；「BROADCAST」 表示这个网卡有「广播地址」，可以发送广播包；MULTICAST表示网卡可以发送多播包；LOWER_UP 表示 L1 是启动的，也即网线插着呢。
「MTU1500」 是指什么意思呢？是哪一层的概念呢？「最大传输单元 MTU 为 1500」，这是以太网的默认值。上一节，讲过网络包是层层封装的。「MTU 是二层 MAC 层的概念」。MAC 层有 MAC 的头，以太网规定连 MAC 头带正文合起来，不允许超过 1500 个字节。正文里面有 IP 的头、TCP 的头、HTTP 的头。如果放不下，就需要分片来传输。
qdisc pfifo_fast 是什么意思呢？qdisc 全称是queueing discipline，中文叫排队规则。内核如果需要通过某个网络接口发送数据包，它都需要按照为这个接口配置的 qdisc（排队规则）把数据包加入队列。
最简单的 qdisc 是 pfifo，它不对进入的数据包做任何的处理，数据包采用先入先出的方式通过队列。pfifo_fast 稍微复杂一些，它的队列包括三个波段（band）。在每个波段里面，使用先进先出规则。三个波段（band）的优先级也不相同。band 0 的优先级最高，band 2 的最低。如果 band 0 里面有数据包，系统就不会处理 band 1 里面的数据包，band 1 和 band 2 之间也是一样。数据包是按照「服务类型」（Type of Service，TOS）被分配多三个波段（band）里面的。TOS 是 IP 头里面的一个字段，代表了当前的包是高优先级的，还是低优先级的。
队列是个好东西，后面说云计算中的网络的时候，会有很多用户共享一个网络出口的情况，这个时候如何排队，每个队列有多粗，队列处理速度应该怎么提升。

小结

怎么样，看起来很简单的一个命令，里面学问很大吧？通过这一节，希望能记住以下的知识点，后面都能用得上：

  • IP 是地址，有「定位功能」；MAC 是身份证，无定位功能；
  • CIDR 可以用来判断是不是本地人；
  • IP 分「公有」的 IP 和「私有」的 IP。