实验2 子网划分设计实验指导书

湖南科技学院计算机与信息科学系
实验指导书
实验名称：子网划分与设计
实验课程：计算机网络
实验类别：设计性
主讲教师：张彬
实验室：创新网络实验室
2011年3月
一、实验目的
1.掌握子网划分的方法和子网掩码的设置
2.理解IP协议与MAC地址的关系
3.根据实际的网络需求设计合理的子网划分方案
二、实验环境
共5组，每组8台双网卡PC机，4台路由器，2台二层交换机，2台三层交换机
三、实验原理
随着互连网应用的不断扩大，原先的IPv4的弊端也逐渐暴露出来，即网络号占位太多，而主机号位太少，所以其能提供的主机地址也越来越稀缺，目前除了使用NAT在企业内部利用保留地址自行分配以外，通常都对一个高类别的IP地址进行再划分，以形成多个子网，提供给不同规模的用户群使用。

本实验要求学生通过掌握子网划分的方法和子网掩码的设置的方法，具有根据实际的网络需求设计合理的子网划分方案的创新能力。

1、为什么要划分子网
在20世纪70年代初期，建立Internet的工程师们并未意识到计算机和通信在未来的迅猛发展。

局域网和个人电脑的发明对未来的网络产生了巨大的冲击。

开发者们依据他们当时的环境，并根据那时对网络的理解建立了逻辑地址分配策略。

他们知道要有一个逻辑地址管理策略，并认为32位的地址已足够使用。

为了给不同规模的网络提供必要的灵活性，IP地址的设计者将IP地址空间划分为五个不同的地址类别，如下表所示，其中A,B,C三类最为常用：
A类0－127 0 8位 24位
B类128－191 10 16位16位
C类192－223 110 24位8位
D类224－239 1110 组播地址
E类 240－255 1111 保留试验使用
从当时的情况来看，32位的地址空间确实足够大，能够提供232（4,294,967,296，约为43亿）个独立的地址。

这样的地址空间在因特网早期看来几乎是无限的，于是便将IP地址根据申请而按类别分配给某个组织或公司，而很少考虑是否真的需要这么多个地址空间，没有考虑到IPv4地址空间最终会被用尽。

但是在实际网络规划中，它们并不利于有效地分配有限的地址空间。

对于A、B类地址，很少有这么大规模的公司能够使用，而C类地址所容纳的主机数又相对太少。

所以有类别的IP地址并不利于有效地分配有限的地址空间，不适用于网络规划。

2、如何划分子网
为了提高IP地址的使用效率，引入了子网的概念。

将一个网络划分为子网：采用借位的方式，从主机位最高位开始借位变为新的子网位，所剩余的部分则仍为主机位。

这使得IP地址的结构分为三级地址结构：网络位、子网位和主机位。

这种层次结构便于IP地址分配和管理。

它的使用关键在于选择合适的层次结构--如何既能适应各种现实的物理网络规模，又能充分地利用IP地址空间（即：从何处分隔子网号和主机号）。

3、子网掩码的作用
简单地来说，掩码用于说明子网域在一个IP地址中的位置。

子网掩码主要用于说明如何进行子网的划分。

掩码是由32位组成的，很像IP地址。

对于三类IP地址来说，有一些自然的或缺省的固定掩码。

4、如何来确定子网地址
如果此时有一个I P地址和子网掩码，就能够确定设备所在的子网。

子网掩码和IP地址一样长，用32bit组成，其中的1表示在IP地址中对应的网络号和子网号对应比特，0表示在IP 地址中的主机号对应的比特。

将子网掩码与IP地址逐位相“与”，得全0部分为主机号，前面非0部分为网络号
基础实验1：
1）两人一组，设置两台主机的IP地址与子网掩码：
A: 10.2.2.2 255.255.254.0
B: 10.2.3.3 255.255.254.0
2）两台主机均不设置缺省网关。

3）用arp -d命令清除两台主机上的ARP表，然后在A与B上分别用ping命令与对方通信，观察并记录结果，并分析原因。

4）在两台PC上分别执行arp -a命令，观察并记录结果，并分析原因。

提示：由于主机将各自通信目标的IP地址与自己的子网掩码相"与"后，发现目标主机与自己均位于同一网段（10.2.2.0），因此通过ARP协议获得对方的MAC地址，从而实现在同一网段内网络设备间的双向通信。

基础实验2．
1）将A的子网掩码改为：255.255.255.0，其他设置保持不变。

2）在两台PC上分别执行arp -d命令清除两台主机上的ARP表。

然后在A上"ping"B，观察并记录结果。

3）在两台PC上分别执行arp -a命令，观察并记录结果，并分析原因。

提示：A将目标设备的IP地址（10.2.3.3）和自己的子网掩码（255.255.255.0）相"与"得10.2.3.0，和自己不在同一网段（A所在网段为：10.2.2.0），则A必须将该IP分组首先发向缺省网关。

基础实验3
1）按照实验2 的配置，接着在B上"ping"A，观察并记录结果，并分析原因。

2）在B 上执行arp -a命令，观察并记录结果，并分析原因。

提示：B将目标设备的IP地址（10.2.2.2）和自己的子网掩码（255.255.254.0）相"与"，发现目标主机与自己均位于同一网段（10.2.2.0），因此，B通过ARP协议获得A的MAC地址，并可以正确地向A发送Echo Request报文。

但由于A不能向B正确地发回Echo Reply 报文，故B上显示ping的结果为"请求超时"。

在该实验操作中，通过观察A与B的ARP表的变化，可以验证：在一次ARP的请求与响应过程中，通信双方就可以获知对方的MAC地址与IP地址的对应关系，并保存在各自的ARP表中。

四、设计实验要求：
一个小的公司中，目前有5个部门a至e，其中：ａ部门有１０台ｐｃ（ｈｏｓｔ，主机），ｂ部门２０台，ｃ部门３０台，ｄ部门１５台，ｅ部门２０台，然后cio分配了一个
总的网段192．168.2.0/64给你，作为admin，你的任务是为每个部门划分单独的网段
示范方案（实验步骤）：
其中，192.168.2.0/24是一个ｃ类网段，24是表示子网掩码中１的个数是24个，这是255.255.255.0的另外一种表示方法，每一个255表示一个二进制的8个1，最后一个0表示二进制的8个0，在计算机语言中以二进制表示为11111111 11111111 11111111 00000000，0表示可容纳的主机的个数。

要划分子网，必须制定每一个子网的掩码规划，换句话说,就是要确定每一个子网能容纳的最多的主机数，即0的个数，显然，应该以这几个部门中拥有主机数量最多的为准，在本例中，c部门有30台主机，那么我们在操作中可以套用这样一个经典公式：
2^n-2=hosts 2^n-2=30 n=5
n代表掩码中0的个数，5个零则意味着二进制掩码为11100000，即十进制的224．加上前面24个1，1 的总数为27个。

该掩码十进制表示为：255.255.255.224/27；
确定掩码规则以后，就要确认每一个子网的具体地址段。

我们从a部门开始，其余b—e部门的操作可参照进行。

第一步：确定a部门的网络id
网络id，即本部门所在的网段，是由ip地址与掩码作“与运算”的结果。

“与运算”是一种逻辑算法，其规则是：1与1为1；0与0 、0与1、1与0的结果均为0。

已知：当前的ip地址192.168.2.0的最后一位是0，二进制表示为00000000；而我们已经算出的掩码255.255.255.224的最后一位是224，二进制表示为11100000。

下面让我们来做一个与运算。

要注意，由于掩码的后五位为０，那么ip地址只有前三位参加运算，而后五位仅仅列出，不参加运算。

⑴
００００００００
与１１１０００００
００００００００（十进制：０）
⑵
００１０００００
与１１１０００００
００１０００００（十进制：３２）
．．．．．．
这样就得到了a部门的网络id为192.168.2.32/27，依此类推，根据主机数最多为30个的原则，b部门为192.168.2.64/27，c部门为192.168.2.96/27等等。

第二步，确定ａ部门的地址范围。

如果ａ部门的网络ｉｄ从３２开始、并且主机数为３０的时候，似乎ｂ部门的ｉｄ应该是从６２开始才对，为什么ｂ部门的ｉｄ为６４呢？这是因为，根据局域网规范，网络中必须要有两个保留地址作为网络专用，一个叫网络回环地址，代表网络本身，其地址全为０；一个叫广播地址，专用于主机进行数据广播。

其地址全为１，这两个地址是不得被主机占用或分配的，在本例中，ａ部门网络地址全为０时（只是后面５位！），二进制表示为00100000。

学生通过该实验的训练，可以掌握子网划分的方法和子网掩码的设置的方法，从而具有根据实际的网络需求设计合理的子网划分方案的能力，用很强的实用价值。