ifconfig
查看IP地址，在Windows上是ipconfig，在Linux上是ifconfig。Linux上還有ip addr可以查看IP地址
想象一下，你登錄進入一個被裁剪過的非常小的Linux系統中，發現既沒有ifconfig命令，也沒有ip addr命令，你是不是感覺這個系統壓根兒沒法用？這個時候，你可以自行安裝net-tools和iproute2這兩個工具。當然，大多數時候這兩個命令是系統自帶的。
ifconfig和ip addr的區別
想象一下，你登錄進入一個被裁剪過的非常小的Linux系統中，發現既沒有ifconfig命令，也沒有ip addr命令，你是不是感覺這個系統壓根兒沒法用？這個時候，你可以自行安裝net-tools和iproute2這兩個工具。當然，大多數時候這兩個命令是系統自帶的。
安裝好后，我們來運行一下ip addr。不出意外，應該會輸出下面的內容。
root@test:~# ip addr
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
inet 127.0.0.1/8 scope host lo
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 ::1/128 scope host
valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
link/ether fa:16:3e:c7:79:75 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 10.100.122.2/24 brd 10.100.122.255 scope global eth0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::f816:3eff:fec7:7975/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
這個命令顯示了這台機器上所有的網卡
IP地址是一個網卡在網絡世界的通訊地址，相當於我們現實世界的門牌號碼。既然是門牌號碼，不能大家都一樣，不然就會起沖突。比方說，假如大家都叫六單元1001號，那快遞就找不到地方了。所以，有時候咱們的電腦彈出網絡地址沖突，出現上不去網的情況，多半是IP地址沖突了。
10.100.122.2就是一個IP地址。這個地址被點分隔為四個部分，每個部分8個bit，所以IP地址總共是32位。這樣產生的IP地址的數量很快就不夠用了。因為不夠用，於是就有了IPv6。
本來32位的IP地址就不夠，還被分成了5類。
在網絡地址中，至少在當時設計的時候，對於A、B、 C類主要分兩部分，前面一部分是網絡號，后面一部分是主機號。這很好理解，大家都是六單元1001號，我是小區A的六單元1001號，而你是小區B的六單元1001號。
下面這個表格，詳細地展示了A、B、C三類地址所能包含的主機的數量。
這里面有個尷尬的事情，就是C類地址能包含的最大主機數量實在太少了，只有254個。當時設計的時候恐怕沒想到，現在估計一個網吧都不夠用吧。而B類地址能包含的最大主機數量又太多了。6萬多台機器放在一個網絡下面，一般的企業基本達不到這個規模，閑着的地址就是浪費。
無類型域間選路（CIDR）
於是有了一個折中的方式叫作無類型域間選路，簡稱CIDR。這種方式打破了原來設計的幾類地址的做法，將32位的IP地址一分為二，前面是網絡號，后面是主機號。從哪里分呢？
你如果注意觀察的話可以看到，10.100.122.2/24，這個IP地址中有一個斜杠，斜杠后面有個數字24。這種地址表示形式，就是CIDR。后面24的意思是，32位中，前24位是網絡號，后8位是主機號。
伴隨着CIDR存在的，
一個是廣播地址，10.100.122.255。如果發送這個地址，所有10.100.122網絡里面的機器都可以收到。
另一個是子網掩碼，255.255.255.0。
將子網掩碼和IP地址進行AND計算。前面三個255，轉成二進制都是1。1和任何數值取AND，都是原來數值，因而前三個數不變，為10.100.122。后面一個0，轉換成二進制是0，0和任何數值取AND，都是0，因而最后一個數變為0，合起來就是10.100.122.0。這就是網絡號。
將子網掩碼和IP地址按位計算AND，就可得到網絡號。
公有IP地址和私有IP地址
在日常的工作中，幾乎不用划分A類、B類或者C類，所以時間長了，很多人就忘記了這個分類，而只記得CIDR。但是有一點還是要注意的，就是公有IP地址和私有IP地址。
我們繼續看上面的表格。表格最右列是私有IP地址段。平時我們看到的數據中心里，辦公室、家里或學校的IP地址，一般都是私有IP地址段。因為這些地址允許組織內部的IT人員自己管理、自己分配，而且可以重復。因此，你學校的某個私有IP地址段和我學校的可以是一樣的。
這就像每個小區有自己的樓編號和門牌號，你們小區可以叫6棟，我們小區也叫6棟，沒有任何問題。但是一旦出了小區，就需要使用公有IP地址。就像人民路888號，是國家統一分配的，不能兩個小區都叫人民路888號。
公有IP地址有個組織統一分配，你需要去買。如果你搭建一個網站，給你學校的人使用，讓你們學校的IT人員給你一個IP地址就行。但是假如你要做一個類似網易163這樣的網站，就需要有公有IP地址，這樣全世界的人才能訪問。
表格中的192.168.0.x是最常用的私有IP地址。你家里有Wi-Fi，對應就會有一個IP地址。一般你家里地上網設備不會超過256個，所以/24基本就夠了。有時候我們也能見到/16的CIDR，這兩種是最常見的，也是最容易理解的。
不需要將十進制轉換為二進制32位，就能明顯看出192.168.0是網絡號，后面是主機號。而整個網絡里面的第一個地址192.168.0.1，往往就是你這個私有網絡的出口地址。
例如，你家里的電腦連接Wi-Fi，Wi-Fi路由器的地址就是192.168.0.1，而192.168.0.255就是廣播地址。一旦發送這個地址，整個192.168.0網絡里面的所有機器都能收到。
但是也不總都是這樣的情況。因此，其他情況往往就會很難理解，還容易出錯。
舉例：一個容易“犯錯”的CIDR
我們來看16.158.165.91/22這個CIDR。求一下這個網絡的第一個地址、子網掩碼和廣播地址。
你要是上來就寫16.158.165.1，那就大錯特錯了。
/22不是8的整數倍，不好辦，只能先變成二進制來看。16.158的部分不會動，它占了前16位。中間的165，變為二進制為10100101。除了前面的16位，還剩6位。所以，這8位中前6位是網絡號，16.158.<101001>，而<01>.91是機器號。
第一個地址是16.158.<101001><00>.1，即16.158.164.1。子網掩碼是255.255.<111111><00>.0，即255.255.252.0。廣播地址為16.158.<101001><11>.255，即16.158.167.255。
這五類地址中，還有一類D類是組播地址。使用這一類地址，屬於某個組的機器都能收到。這有點類似在公司里面大家都加入了一個郵件組。發送郵件，加入這個組的都能收到。
講了這么多，才講了上面的輸出結果中很小的一部分，是不是覺得原來並沒有真的理解ip addr呢？我們接着來分析。
在IP地址的后面有個scope，對於eth0這張網卡來講，是global，說明這張網卡是可以對外的，可以接收來自各個地方的包。對於lo來講，是host，說明這張網卡僅僅可以供本機相互通信。
lo全稱是loopback，又稱環回接口，往往會被分配到127.0.0.1這個地址。這個地址用於本機通信，經過內核處理后直接返回，不會在任何網絡中出現。
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，這個被稱為MAC地址，是一個網卡的物理地址，用十六進制，6個byte表示。
MAC地址是一個很容易讓人“誤解”的地址。因為MAC地址號稱全局唯一，不會有兩個網卡有相同的MAC地址，而且網卡自生產出來，就帶着這個地址。很多人看到這里就會想，既然這樣，整個互聯網的通信，全部用MAC地址好了，只要知道了對方的MAC地址，就可以把信息傳過去。
這樣當然是不行的。 一個網絡包要從一個地方傳到另一個地方，除了要有確定的地址，還需要有定位功能。 而有門牌號碼屬性的IP地址，才是有遠程定位功能的。
例如，你去杭州市網商路599號B樓6層找劉超，你在路上問路，可能被問的人不知道B樓是哪個，但是可以給你指網商路怎么去。但是如果你問一個人，你知道這個身份證號的人在哪里嗎？可想而知，沒有人知道。
MAC地址更像是身份證，是一個唯一的標識。它的唯一性設計是為了組網的時候，不同的網卡放在一個網絡里面的時候，可以不用擔心沖突。從硬件角度，保證不同的網卡有不同的標識。
MAC地址是有一定定位功能的，只不過范圍非常有限。你可以根據IP地址，找到杭州市網商路599號B樓6層，但是依然找不到我，你就可以靠吼了，大聲喊身份證XXXX的是哪位？我聽到了，我就會站起來說，是我啊。但是如果你在上海，到處喊身份證XXXX的是哪位，我不在現場，當然不會回答，因為我在杭州不在上海。
所以，MAC地址的通信范圍比較小，局限在一個子網里面。例如，從192.168.0.2/24訪問192.168.0.3/24是可以用MAC地址的。一旦跨子網，即從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。
網絡設備的狀態標識
解析完了MAC地址，我們再來看 <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP>是干什么的？這個叫作net_device flags，網絡設備的狀態標識。
UP表示網卡處於啟動的狀態；
BROADCAST表示這個網卡有廣播地址，可以發送廣播包；
MULTICAST表示網卡可以發送多播包；
LOWER_UP表示L1是啟動的，也即網線插着呢。
MTU1500是指什么意思呢？是哪一層的概念呢？
最大傳輸單元MTU為1500，這是以太網的默認值。
MTU是二層MAC層的概念。MAC層有MAC的頭，以太網規定連MAC頭帶正文合起來，不允許超過1500個字節。正文里面有IP的頭、TCP的頭、HTTP的頭。如果放不下，就需要分片來傳輸。
qdisc pfifo_fast是什么意思呢？
qdisc全稱是queueing discipline，中文叫排隊規則。內核如果需要通過某個網絡接口發送數據包，它都需要按照為這個接口配置的qdisc（排隊規則）把數據包加入隊列。
最簡單的qdisc是pfifo，它不對進入的數據包做任何的處理，數據包采用先入先出的方式通過隊列。pfifo_fast稍微復雜一些，它的隊列包括三個波段（band）。在每個波段里面，使用先進先出規則。
三個波段（band）的優先級也不相同。band 0的優先級最高，band 2的最低。如果band 0里面有數據包，系統就不會處理band 1里面的數據包，band 1和band 2之間也是一樣。
數據包是按照服務類型（Type of Service，TOS）被分配到三個波段（band）里面的。TOS是IP頭里面的一個字段，代表了當前的包是高優先級的，還是低優先級的。
總結
- IP是地址，有定位功能；MAC是身份證，無定位功能；
- CIDR可以用來判斷是不是本地人；
- IP分公有的IP和私有的IP。
DHCP與PXE
如何配置IP地址？
可以使用ifconfig，也可以使用ip addr。設置好了以后，用這兩個命令，將網卡up一下，就可以開始工作了。
使用net-tools：
$ sudo ifconfig eth1 10.0.0.1/24
$ sudo ifconfig eth1 up
使用iproute2：
$ sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev eth1
$ sudo ip link set up eth1
你可能會問了，自己配置這個自由度太大了吧，我是不是配置什么都可以？如果配置一個和誰都不搭邊的地址呢？例如，旁邊的機器都是192.168.1.x，我非得配置一個16.158.23.6，會出現什么現象呢？
不會出現任何現象，就是包發不出去唄。為什么發不出去呢？我來舉例說明。
192.168.1.6就在你這台機器的旁邊，甚至是在同一個交換機上，而你把機器的地址設為了16.158.23.6。在這台機器上，你企圖去ping192.168.1.6，你覺得只要將包發出去，同一個交換機的另一台機器馬上就能收到，對不對？
可是Linux系統不是這樣的，它沒你想得那么智能。你用肉眼看到那台機器就在旁邊，它則需要根據自己的邏輯進行處理。
只要是在網絡上跑的包，都是完整的，可以有下層沒上層，絕對不可能有上層沒下層。
所以，你看着它有自己的源IP地址16.158.23.6，也有目標IP地址192.168.1.6，但是包發不出去，這是因為MAC層還沒填。
自己的MAC地址自己知道，這個容易。但是目標MAC填什么呢？是不是填192.168.1.6這台機器的MAC地址呢？
當然不是。Linux首先會判斷，要去的這個地址和我是一個網段的嗎，或者和我的一個網卡是同一網段的嗎？只有是一個網段的，它才會發送ARP請求，獲取MAC地址。如果發現不是呢？
Linux默認的邏輯是，如果這是一個跨網段的調用，它便不會直接將包發送到網絡上，而是企圖將包發送到網關。
如果你配置了網關的話，Linux會獲取網關的MAC地址，然后將包發出去。對於192.168.1.6這台機器來講，雖然路過它家門的這個包，目標IP是它，但是無奈MAC地址不是它的，所以它的網卡是不會把包收進去的。
如果沒有配置網關呢？那包壓根就發不出去。
如果將網關配置為192.168.1.6呢？不可能，Linux不會讓你配置成功的，因為網關要和當前的網絡至少一個網卡是同一個網段的，怎么可能16.158.23.6的網關是192.168.1.6呢？
所以，當你需要手動配置一台機器的網絡IP時，一定要好好問問你的網絡管理員。如果在機房里面，要去網絡管理員那里申請，讓他給你分配一段正確的IP地址。當然，真正配置的時候，一定不是直接用命令配置的，而是放在一個配置文件里面。不同系統的配置文件格式不同，但是無非就是CIDR、子網掩碼、廣播地址和網關地址。
動態主機配置協議（DHCP）
原來配置IP有這么多門道兒啊。你可能會問了，配置了IP之后一般不能變的，配置一個服務端的機器還可以，但是如果是客戶端的機器呢？我抱着一台筆記本電腦在公司里走來走去，或者白天來晚上走，每次使用都要配置IP地址，那可怎么辦？還有人事、行政等非技術人員，如果公司所有的電腦都需要IT人員配置，肯定忙不過來啊。
因此，我們需要有一個自動配置的協議，也就是稱動態主機配置協議（Dynamic Host Configuration Protocol），簡稱DHCP。
有了這個協議，網絡管理員就輕松多了。他只需要配置一段共享的IP地址。每一台新接入的機器都通過DHCP協議，來這個共享的IP地址里申請，然后自動配置好就可以了。等人走了，或者用完了，還回去，這樣其他的機器也能用。
所以說，如果是數據中心里面的服務器，IP一旦配置好，基本不會變，這就相當於買房自己裝修。DHCP的方式就相當於租房。你不用裝修，都是幫你配置好的。你暫時用一下，用完退租就可以了。
解析DHCP的工作方式
當一台機器新加入一個網絡的時候，肯定一臉懵，啥情況都不知道，只知道自己的MAC地址。怎么辦？先吼一句，我來啦，有人嗎？這時候的溝通基本靠“吼”。這一步，我們稱為DHCP Discover。
新來的機器使用IP地址0.0.0.0發送了一個廣播包，目的IP地址為255.255.255.255。廣播包封裝了UDP，UDP封裝了BOOTP。其實DHCP是BOOTP的增強版，但是如果你去抓包的話，很可能看到的名稱還是BOOTP協議。
在這個廣播包里面，新人大聲喊：我是新來的（Boot request），我的MAC地址是這個，我還沒有IP，誰能給租給我個IP地址！
格式就像這樣：
如果一個網絡管理員在網絡里面配置了DHCP Server的話，他就相當於這些IP的管理員。他立刻能知道來了一個“新人”。這個時候，我們可以體會MAC地址唯一的重要性了。當一台機器帶着自己的MAC地址加入一個網絡的時候，MAC是它唯一的身份，如果連這個都重復了，就沒辦法配置了。
只有MAC唯一，IP管理員才能知道這是一個新人，需要租給它一個IP地址，這個過程我們稱為DHCP Offer。同時，DHCP Server為此客戶保留為它提供的IP地址，從而不會為其他DHCP客戶分配此IP地址。
DHCP Offer的格式就像這樣，里面有給新人分配的地址。
DHCP Server仍然使用廣播地址作為目的地址，因為，此時請求分配IP的新人還沒有自己的IP。DHCP Server回復說，我分配了一個可用的IP給你，你看如何？除此之外，服務器還發送了子網掩碼、網關和IP地址租用期等信息。
新來的機器很開心，它的“吼”得到了回復，並且有人願意租給它一個IP地址了，這意味着它可以在網絡上立足了。當然更令人開心的是，如果有多個DHCP Server，這台新機器會收到多個IP地址，簡直受寵若驚。
它會選擇其中一個DHCP Offer，一般是最先到達的那個，並且會向網絡發送一個DHCP Request廣播數據包，包中包含客戶端的MAC地址、接受的租約中的IP地址、提供此租約的DHCP服務器地址等，並告訴所有DHCP Server它將接受哪一台服務器提供的IP地址，告訴其他DHCP服務器，謝謝你們的接納，並請求撤銷它們提供的IP地址，以便提供給下一個IP租用請求者。
此時，由於還沒有得到DHCP Server的最后確認，客戶端仍然使用0.0.0.0為源IP地址、255.255.255.255為目標地址進行廣播。在BOOTP里面，接受某個DHCP Server的分配的IP。
當DHCP Server接收到客戶機的DHCP request之后，會廣播返回給客戶機一個DHCP ACK消息包，表明已經接受客戶機的選擇，並將這一IP地址的合法租用信息和其他的配置信息都放入該廣播包，發給客戶機，歡迎它加入網絡大家庭。
最終租約達成的時候，還是需要廣播一下，讓大家都知道。
IP地址的收回和續租
既然是租房子，就是有租期的。租期到了，管理員就要將IP收回。
如果不用的話，收回就收回了。就像你租房子一樣，如果還要續租的話，不能到了時間再續租，而是要提前一段時間給房東說。DHCP也是這樣。
客戶機會在租期過去50%的時候，直接向為其提供IP地址的DHCP Server發送DHCP request消息包。客戶機接收到該服務器回應的DHCP ACK消息包，會根據包中所提供的新的租期以及其他已經更新的TCP/IP參數，更新自己的配置。這樣，IP租用更新就完成了。
好了，一切看起來完美。DHCP協議大部分人都知道，但是其實里面隱藏着一個細節，很多人可能不會去注意。接下來，講一個有意思的事情：網絡管理員不僅能自動分配IP地址，還能幫你自動安裝操作系統！
預啟動執行環境（PXE）
普通的筆記本電腦，一般不會有這種需求。因為你拿到電腦時，就已經有操作系統了，即便你自己重裝操作系統，也不是很麻煩的事情。但是，在數據中心里就不一樣了。數據中心里面的管理員可能一下子就拿到幾百台空的機器，一個個安裝操作系統，會累死的。
所以管理員希望的不僅僅是自動分配IP地址，還要自動安裝系統。裝好系統之后自動分配IP地址，直接啟動就能用了，這樣當然最好了！
這事兒其實仔細一想，還是挺有難度的。安裝操作系統，應該有個光盤吧。數據中心里不能用光盤吧，想了一個辦法就是，可以將光盤里面要安裝的操作系統放在一個服務器上，讓客戶端去下載。但是客戶端放在哪里呢？它怎么知道去哪個服務器上下載呢？客戶端總得安裝在一個操作系統上呀，可是這個客戶端本來就是用來安裝操作系統的呀？
其實，這個過程和操作系統啟動的過程有點兒像。首先，啟動BIOS。這是一個特別小的小系統，只能干特別小的一件事情。其實就是讀取硬盤的MBR啟動扇區，將GRUB啟動起來；然后將權力交給GRUB，GRUB加載內核、加載作為根文件系統的initramfs文件；然后將權力交給內核；最后內核啟動，初始化整個操作系統。
那我們安裝操作系統的過程，只能插在BIOS啟動之后了。因為沒安裝系統之前，連啟動扇區都沒有。因而這個過程叫做預啟動執行環境（Pre-boot Execution Environment），簡稱PXE。
PXE協議分為客戶端和服務器端，由於還沒有操作系統，只能先把客戶端放在BIOS里面。當計算機啟動時，BIOS把PXE客戶端調入內存里面，就可以連接到服務端做一些操作了。
首先，PXE客戶端自己也需要有個IP地址。因為PXE的客戶端啟動起來，就可以發送一個DHCP的請求，讓DHCP Server給它分配一個地址。PXE客戶端有了自己的地址，那它怎么知道PXE服務器在哪里呢？對於其他的協議，都好辦，要么人告訴他。例如，告訴瀏覽器要訪問的IP地址，或者在配置中告訴它；例如，微服務之間的相互調用。
但是PXE客戶端啟動的時候，啥都沒有。好在DHCP Server除了分配IP地址以外，還可以做一些其他的事情。這里有一個DHCP Server的一個樣例配置：
ddns-update-style interim;
ignore client-updates;
allow booting;
allow bootp;
subnet 192.168.1.0 netmask 255.255.255.0
{
option routers 192.168.1.1;
option subnet-mask 255.255.255.0;
option time-offset -18000;
default-lease-time 21600;
max-lease-time 43200;
range dynamic-bootp 192.168.1.240 192.168.1.250;
filename "pxelinux.0";
next-server 192.168.1.180;
}
按照上面的原理，默認的DHCP Server是需要配置的，無非是我們配置IP的時候所需要的IP地址段、子網掩碼、網關地址、租期等。如果想使用PXE，則需要配置next-server，指向PXE服務器的地址，另外要配置初始啟動文件filename。
這樣PXE客戶端啟動之后，發送DHCP請求之后，除了能得到一個IP地址，還可以知道PXE服務器在哪里，也可以知道如何從PXE服務器上下載某個文件，去初始化操作系統。
解析PXE的工作過程
接下來我們來詳細看一下PXE的工作過程。
首先，啟動PXE客戶端。第一步是通過DHCP協議告訴DHCP Server，我剛來，一窮二白，啥都沒有。DHCP Server便租給它一個IP地址，同時也給它PXE服務器的地址、啟動文件pxelinux.0。
其次，PXE客戶端知道要去PXE服務器下載這個文件后，就可以初始化機器。於是便開始下載，下載的時候使用的是TFTP協議。所以PXE服務器上，往往還需要有一個TFTP服務器。PXE客戶端向TFTP服務器請求下載這個文件，TFTP服務器說好啊，於是就將這個文件傳給它。
然后，PXE客戶端收到這個文件后，就開始執行這個文件。這個文件會指示PXE客戶端，向TFTP服務器請求計算機的配置信息pxelinux.cfg。TFTP服務器會給PXE客戶端一個配置文件，里面會說內核在哪里、initramfs在哪里。PXE客戶端會請求這些文件。
最后，啟動Linux內核。一旦啟動了操作系統，以后就啥都好辦了。
總結
- DHCP協議主要是用來給客戶租用IP地址，和房產中介很像，要商談、簽約、續租，廣播還不能“搶單”；
- DHCP協議能給客戶推薦“裝修隊”PXE，能夠安裝操作系統，這個在雲計算領域大有用處。