ICT 筆記 01 - 容量單位、速度單位、IP

容量單位

融入生活中的例子：
bit：燈泡的控制（0/1）
byte：文件的中文字大小
K：文字或是網路小圖片（手機圖片約 500-800K 之類）
M：手機最高解析度的圖片
G：隨身碟容量、映像檔
T：資料庫

速度單位

Hz：秒分之一
CPU 運算速度常使用 MHz 或 GHz 為單位
例：一顆標示為 3.0GHz 的 CPU，代表此 CPU 在一秒內能進行 30 億次工作（3*10^9）
但不同架構 CPU 不能只以時間次數比較運算效能，因為不同架構 CPU 的微指令不相同，每次時脈可進行的工作指令數也不同。

Mbps：Mbits per second，每秒多少 Mbit
例：8M/1M ADSL 的傳輸速度，換算成檔案容量 (byte) 時，就會變成每秒 1M byte / 每秒 125 Kbyte 的容量（除以 8）。

畫素

• 黑白：只有兩種顏色，即 0 / 1，占用 1 bit 記憶體。
• 16 色：使用 2^4 = 16 種顏色，占用 4 bits 記憶體。
• 256 色：使用 2^8 = 256 種顏色，占用 1 byte 記憶體。
• 全彩：使用 2^24 = 1677 萬種顏色，占用 3 byte 記憶體。
  例：一張 100*100 px 的圖片，256 色需要 100 * 100 * 1 byte = 10000 byte，全彩需要 100 * 100 * 1 byte * 3 = 30000 byte

IP (Internet Protocal)

IP 位址是一個長度 32 bits 的二進位數值，因應閱讀需求，習慣將位址拆成四段 & 將二進位轉換成十進位表示

// 二進制表示
01111111 00000000 00000000 00000001

// 十進制表示
127.0.0.1

IP 位址用來辨識網路上的裝置，對路由器來說需要從 IP 判斷要怎麼送達封包，類似於郵差要將信件送到哪個地址的概念，設計 IPv4 初期，因應路由與管理需求，將 IP 位址分成 class a-e 五個等級，以及分成網路位址與主機位址。

網路位址 v.s 主機位址

地址這個東西獨一無二，套用在網路也是一樣，且 IP 路由架構是以網路為基礎，是一個區段的概念，一個 IP 分成網路位址與主機位址。

• 網路位址 (Network ID)
  Network ID 是 IP 的前綴，可以看的出來屬於隸屬單位；以對外 IP 而言，IP 不可重複，當組織或企業單位申請 IP，會分配到專屬 Network ID，底下同網路的裝置，Network ID 都會相同。
• 主機位址 (Host ID)
  Host ID 在 IP 的後端，用來辨識區段網路個別的裝置。
  再以地址的例子解釋，網路位址像是台北101申請門牌號碼「臺北市信義區西村里8鄰信義路五段7號」，裡面的各樓層、商店再加上「幾樓、商店名」。

// 例子（Network ID / Host ID 會根據 IP 等級長度不同）
01111111 00000000 00000000 00000001
|<———————————————————————>||<————>|
        Network ID         Host ID

IP 等級

一般看到的會是 class a-c，d、e 主要是學術單位使用，根據網路規模排序由上到下，IP 管理機構可以看申請者的網路規模決定它的申請等級，而等級可以從前導位元數量及 Network ID 長度去看。

• class a
  Network ID 長度 8 bits，在這前導位元會是第一個 bit，必須是 0。
  class a 的 IP 從 00000000 - 01111111（2^7 個），能用的 Host ID 則有 2^24 個。

前導位元 0
v
0******* ******** ******** ********
|<————>||<———————————————————————>|
Network ID         Host ID

• class b
  Network ID 長度 16 bits，在這前導位元會是前 2 個 bits，必須是 10。
  class b 的 IP 從 128.*.*.* - 191.*.*.*，能用的 Host ID 則有 2^16 個。

前導位元 10
v
10****** ******** ******** ********
|<——————————————>||<——————————————>|
Network ID         Host ID 

// 128.*.*.*
10000000 ******** ******** ********
// 191.*.*.*
10111111 ******** ******** ********

• class c
  Network ID 長度 24 bits，在這前導位元會是前 3 個 bits，必須是 110。
  class c 的 IP 從 192.*.*.* - 223.*.*.*，能用的 Host ID 則有 2^8 個。

前導位元 110
v
110***** ******** ******** ********
|<——————————————————————>||<——————>|
        Network ID         Host ID 

// 192.*.*.*
11000000 ******** ******** ********
// 223.*.*.*
11011111 ******** ******** ********

• class d
  前導位元會是前 4 個 bits，必須是 1110。
  class d 的 IP 從 224.*.*.* - 239.*.*.*。

• class e
  前導位元會是前 4 個 bits，必須是 1111。
  class e 的 IP 從 240.*.*.* - 255.*.*.*。

對外位址 v.s 對內位址

因應 IPv4 IP 會有用完的一天，除了 IPv6 的出現，組織申請對外 IP 後，內部管理會分配各裝置對內 IP（又稱虛擬 IP），慣例上各等級的私有 IP 有：
class a：10.0.0.0 - 10.255.255.255
class b：172.16.0.0 - 172.31.255.255
class c：192.168.0.0 - 192.168.255.255

子網路遮罩

以一個組織的網路來說，如果所有部門都能互相通訊，難免有資安疑慮，所以需要利用子網路分類網段，進行網路的管理，除了容易維護，因為子網路的 IP 數量相對原本的少，也能增加傳遞速度。

組織網路透過子網路遮罩（Subnet Mask）分類各子網路（網段），而我們也可以使用子網路遮罩，去計算兩個 IP 是不是互通。

Mask 會使用前置碼，在 IP / 後面的數字標註辨識，例如 192.168.1.1/24，代表前面有 24 個 1，得知 Mask 是 255.255.255.0。

如果以內部的私有 IP 來看，各等級的範圍跟基本子網路遮罩會是：

網段計算

計算兩個 IP 是否在同網段，會使用到 AND 計算，以這三個 IP 舉例：

• 192.168.1.1
• 192.168.1.250
• 192.168.2.2

轉換成二進制計算
192.168.1.1

192.168.1.1   → 11000000 10101000 00000001 00000001
255.255.255.0 → 11111111 11111111 11111111 00000000
———————————————————————————————————————————————————
192.168.1.0   → 11000000 10101000 00000001 00000000

192.168.1.250

192.168.1.250 → 11000000 10101000 00000001 11111010
255.255.255.0 → 11111111 11111111 11111111 00000000
———————————————————————————————————————————————————
192.168.1.0   → 11000000 10101000 00000001 00000000

192.168.2.2

192.168.2.2   → 11000000 10101000 00000010 00000010
255.255.255.0 → 11111111 11111111 11111111 00000000
———————————————————————————————————————————————————
192.168.2.0   → 11000000 10101000 00000010 00000000

得到分別的子網路編號是：

• 192.168.1.1：192.168.1.0
• 192.168.1.250：192.168.1.0
• 192.168.2.2：192.168.2.0
  可以看出 192.168.1.1 跟 192.168.1.250 是同網段，而兩個 IP 跟 192.168.2.2 不同網段。

網路分段

假設組織共用有 192.168.1.0 這個網段，但實務上不可能各部門共用，先單純將這網段平分切成四等分，每等分有 256/4 = 64 個 IP：

192.168.1.00000000
         .00******  A: 0-63
         .01******  B: 64-127
         .10******  C: 128-191
         .11******  D: 192-255

從 .00、.01、.10、.11，很快地就能識別這是來自哪個子網段的 IP，方便進行管理，而子網路遮罩的計算方式是從首字到辨識的位置為止（以上述例子是第 26 位）切開，左邊數字為 1，後面數字為 0，再換算成十進制 IP。

// 子網路遮罩計算
                             　　v 從這切開
　　11111111 11111111 11111111 11 000000
得到   255.255.255.192

因為會用切開的位置來看，網段切法就慣用以前置碼來溝通，以上述例子會是 /26。常見的網段切法有 /24、/16，稱為 CIDR，如果要更靈活的運用各網段，再細切就有所謂 VLSM 切法。

細分各子網段，每網段有 64 個 IP，但網段的首尾 IP 有特別用途：主網段與廣播，主要網段是辨識用，廣播則是用以與其他網段溝通，這兩個 IP 是不可拿來使用，因此每個網段能夠用的只有 62 個 IP。

子網段 A
主網段：  192.168.1.0
可用 IP： 192.168.1.1 - 192.168.1.62
廣播 IP： 192.168.1.63