网络基础第1章IP地址和子网规划(家庭网络的建设【含无线】、IP地址规划)

第1章IP地址和子网规划【学习目标】掌握IP地址的格式和分类掌握子网划分的方法了解IP报文转发基本原理了解VLSM与CIDR了解IPv6的特点了解IPv6地址的标识方法、构成和分类了解IEEE EUI-64格式转换原理了解邻居发现协议的作用及地址解析、地址自动配置的工作原理掌握IPv6地址的配置【重点难点】IP地址的格式和分类子网划分的方法VLSM与CIDR1.1 IP协议概述TCP/IP协议栈的网络层位于网络接口层和传输层之间，其主要功能就是标识大规模网络中的每一个节点并将数据投递到正确的目的节点。

由RFC791定义的IP是TCP/IP网络层的核心协议，IP协议不关心数据包的内容，不能保证数据包是否能成功地到达目的地，也不维护任何关于前后数据包的状态信息。

面向连接的可靠服务由传输层的TCP协议实现。

IP协议的主要作用如下：（1）标识节点和链路：IP为每个链路分配一个全局唯一的网络号，为每一个节点分配一个全局唯一的IP地址，用以标识每个节点。

（2）寻址和转发：IP路由器根据所掌握的路由信息，确定节点所在网络的位置，选择适当的路径将IP包转发到目的节点。

（3）适应各种数据链路：为工作在多样化的链路和介质上，IP必须具备适应各种链路的能力，如可根据链路的MTU（Maximum Transfer Unit，最大传输单元）对IP包进行分片、重组。

1.2 IP地址连接到Internet上的设备必须有一个全球唯一的IP地址，该地址与链路类型、设备硬件无关，故亦称逻辑地址。

每台主机可以有多个网卡，也可以同时拥有多个IP地址。

Internet上的每个节点既有IP地址，也有物理地址（即MAC地址）。

MAC 地址是设备生产厂家固化在网卡上的，每个网卡的MAC地址也是全球唯一的。

为什么还需要IP地址呢？因为MAC地址是固化在设备上的，不便于修改，不能够方便地根据客户的需求定义网络设备地址，而IP地址只是逻辑地址，可按照用户的需求规划和分配。

（1）IP地址格式在计算机内部，IP地址采用32位二进制数表示，为便于表示与记忆，通常采用点分十进制方式标识。

即将32位的IP地址分成4段，每段8位二进制位，用一个十进制数表示，组间用“.”分割，如图2-1所示。

图2-1由于理论上总共有232个IP地址，每一台路由器都存储每一节点的路由信息几乎是不可能的，所以IP地址采用分层结构。

IP地址由两部分组成：网络号、主机号，如图2-2所示。

图2-2网络号用于区分不同的IP网络，即该IP地址所属的IP网段，一个网络中所有设备的IP地址具有相同的网络号。

主机号用于标识该网络内的一个IP节点。

在一个网段内部，主机号是唯一的。

这样，路由器只需要存储每个网段的路由信息即可。

例如图2-3所示的网络由两个网络构成，每个网络中有3台主机。

网络之间通过路由器连接。

路由器只要记录左侧的网络地址为192.168.2.0，通过接口E0/0连接；右侧的网络地址为10.0.0.0，通过接口E0/1连接。

图2-3（2）IP地址分类为更好的管理和使用IP地址资源，IP地址被划分为A、B、C、D、E五类。

每类地址的网络号和主机号在32位地址中所占位数不同，因而每类的网络数和主机数都有很大区别。

IP地址的分类如图2-4所示。

图2-4①A类IP地址的第一个八位段以0开始。

A类地址的网络号为第一个八位段（取值范围为1~126），后面的3个八位段为主机号。

所以A类地址的范围为1.0.0.0~126.255.255.255，其中网络号为127的有特殊用途，如127.0.0.1用于主机环回测试。

②B类IP地址的第一个八位段以10开始。

B类地址的网络号为前2个八位段（第一个八位段取值为128~191），后面的2个八位段为主机号。

所以B类地址的范围为128.0.0.0~191.255.255.255。

③C类IP地址的第一个八位段以110开始。

C类地址的网络号为前3个八位段（第一个八位段取值为192~223），后面的一个八位段为主机号。

所以C类地址的范围为192.0.0.0~223.255.255.255。

④D类地址的第一个八位段以1110开始。

D类地址通常用于组播地址。

⑤E类地址的第一个八位段以11110开始，保留用于研究。

（3）特殊用途的IP地址虽然IP地址可用于唯一标识一台主机或网络设备，但并不是每一个IP地址都用于该目的。

一些特殊的IP地址被用于各种各样的其他用途，如表2-1所示。

由上表可知，每一个网段都会有一个网络地址和一个网段广播地址，因此每一个网络实际可用于主机的地址数等于网段内的全部地址数减2。

需要注意的是，转发网段广播和全网广播会对网络性能造成严重的不利影响，因此几乎所有的路由器在默认情况下均不转发广播包。

（4）私有地址随着Internet用户爆炸式增长，IP地址枯竭的趋势越来越严重，为缓解这种情况，IANA规定从A类、B类、C类的IP地址池中各拿出一部分用在LAN中，这部分地址被称为私有地址，这类地址只能在封闭的局域网中有效，在Internet 上不被识别。

相对的，在Internet上可以被识别的IP地址称为公有地址。

如果希望使用私有地址的LAN连接到Internet，则需使用网络地址转换技术。

IANA分配的私有地址段如下：A类：10.0.0.0~10.255.255.255B类：172.16.0.0~172.31.255.255C类：192.168.0.0~192.168.255.2551.3 IP子网划分早期的Internet是一个简单的二级网络结构，接入Internet的机构由一个物理网络构成，该物理网络包含机构中需要接入Internet网络的全部主机。

每个机构被分配一个按照自然分类法（即A、B、C、D、E五类网址）得到的Internet 网络地址。

随着时间推移，Internet中出现了许多大型机构，这些机构中需接入Internet的主机数量众多，鉴于物理网络容纳主机的数量有限，因此在同一机构内部需要划分多个物理网络。

早期的解决方案是为机构内的每一个物理网络都分配一个按照自然分类法得到的Internet网络地址，但其存在严重问题：IP地址资源浪费严重、IP网络数量不够、业务扩展缺乏灵活性。

（1）子网掩码的概念每个32位IP地址都被划分为由网络号和主机号构成的二级机构。

为了区分IP地址的网络号与主机号，从而判断任意两IP地址是否处于同一网络，因而引入了网络掩码。

网络掩码要求对应网络号部分的位全置1，对应主机号部分的位全置0。

所以，一个标准的A类地址其网络掩码为255.0.0.0，一个标准的B类地址其网络掩码为255.255.0.0，一个标准的C类地址其网络掩码为255.255.255.0。

为了更有效地利用IP地址，解决IP地址资源浪费和IP网络数量不够等问题，引入了子网的概念。

20世纪80年代中期，IETF在RFC950和RFC917中针对简单的两层IP地址所带来的日趋严重的问题提出了解决方法，即子网划分（Subnetting）：允许将一个自然分类的网络分解为多个子网（Subnet）。

如图2-5所示，从IP地址的主机号部分借用若干位作为子网号（Subnet number），剩余的位作为主机位，这样就将原先的二级网络演进为三级：网络号、子网号和主机号。

图2-5需要注意的是，子网划分是一个组织内部的事务，外部网络可以不必了解，对于外部网络而言，该机构仍表现为一个没有划分子网的网络。

从其他网络发送给本机构某主机的数据仍按照原来的选路规则发送到本机构连接外部网络的路由器上。

该路由器接收到IP数据包后再按照网络号及子网号找到目的子网，将IP数据包交付给目的主机。

这就要求路由器具备识别子网的能力。

子网划分采用的仍然是前面提到的方法，即采用网络掩码的方法：要求对应网络号与子网号的位全置1，对应主机号的位全置0。

利用掩码和IP地址进行逻辑与运算，就能得到该IP地址的子网地址。

值得一提的是，IP子网划分并不改变自然分类地址的划定。

例如有一个IP 地址为10.1.1.1，其子网掩码为255.255.255.0，这仍为一个A类地址，而并非C类地址。

习惯上有两种方式表示一个子网掩码：点分十进制表示法、掩码长度表示法。

如C类默认子网掩码11111111 11111111 11111111 00000000可以表示为255.255.255.0（点分十进制表示法），也可以表示为24（掩码长度表示法）。

（2）IP子网划分相关计算由于子网划分的出现，使原本简单的IP地址规划变得复杂。

因此一个网络管理人员必须应该清楚的知道如何对网络进行子网规划，以便合理、高效的利用手中的IP地址资源。

计算子网内可用地址数计算子网内可用主机数是子网划分计算中较简单的一类问题：如果子网的主机号位数为N，则该子网中可用的主机数目为2N-2个（减2的原因是主机号为全0和全1的有特殊用途，不能分配给主机使用）。

如图2-6所示，已知一个C类网络划分成子网后为192.168.3.192，子网掩码为255.255.255.224，计算该子网内可供分配的主机地址数量。

图2-6要计算子网内可供分配的主机数量，就必须知道主机号的位数。

计算过程如下。

①计算掩码的位数。

将255.255.255.224换算成二进制后，可以看出掩码位数为27。

②计算主机号位数。

因为IP地址总共32位，所以主机号位数N=32-27=5。

③该子网可用的主机地址数量为2N-2=25-2=30个。

这30个可用主机地址为192.168.3.193~192.168.3.222。

根据主机地址数划分子网在子网划分计算中，有时需要在已知每个子网内需要容纳的主机数的前提下划分子网。

要想知道如何划分子网，就必须知道划分子网后的子网掩码，则问题就变成了求子网掩码。

具体计算方法总结如下：①计算网络主机号的位数。

假设每个子网需要Y个IP地址（即该子网现有Y 台主机需要分配IP地址），那么当Y满足2N>=Y+2>=2N-1时，N就是主机号的位数。

其中Y+2是因为要考虑主机号全0和全1的情况。

②计算子网掩码的位数。

子网掩码位数为32-N。

③根据子网掩码的位数计算出子网号的位数M。

该子网就有2M种分发。

如图2-7所示，需要将B类网络168.195.0.0/16划分成若干子网，要求每个子网内的主机数为700台。

计算过程如下。

图2-7①按照要求，每个子网主机数Y为700。

②计算网络主机号的位数。

根据公式2N>=700+2>=2N-1计算出N=10。

③计算子网掩码的位数。

子网掩码位数为32-10=22，从而得出网络掩码为255.255.252.0。

④因为B类网址标准掩码长度为16，所以子网号位数为22-16=6。

所以，该网络能划分成26个子网。