第2章 IP地址及地址转换

D类地址范围
11100000-11101111 224-239
韩雪琴 6
201202
二进制与点分十进制
IP 协议规定：IP 地址是 32 位二进制数字：

11001010011011001111100111001110
为方便阅读和从键盘上输入，可把每 8 位二进制数字转 换成一个十进制数字，并用小数点隔开：
202.108.249.206
这就是“点分十进制”记法。我们从键盘上输入点分十 进制的 IP 地址，计算机就把它转换为 32位的二进制数字。
201202
韩雪琴
7
IP 地址的惟一性




连接在因特网的每一台计算机都有一个 IP 地址。 这个 IP 地址在世界范围内必须是惟一的。 路由器根据分组首部中的目的 IP 地址查找出下 一跳路由器的地址。 计算机有多个物理连接时，就需要多个IP地址， 称为多址主机。路由器连接n个网络时有n个IP 地址，每个地址对应一个网络连接。 互联网地址即可以指定主机，也可以指定网络。 用主机号为0的IP地址来指定网络。 例：222.160.30.0为一个网络地址
0 NetID
IP地址的分类
HostID
10
110 1110 1111
8 bits
NetID NetID
பைடு நூலகம்
HostID
HostID
Multicast Address
保留未用
8 bits
韩雪琴
8 bits
8 bits
5
201202
地址范围和主机数

A类
00000000-01111111 126（27-2）个可用网络号 1-126 每个网络有一千六百万（224-2）个主机号
201202
韩雪琴
14
2.3 网络地址到物理地址的映射

互联网上的每台主机都分配一个32位的IP 地址，互联网使用分配的地址来发送和接 收分组。实际上在网络链路上传送的是 “帧”，使用的是帧的硬件地址（MAC 地址）。只有当某个网络上的两台机器互 相知道对方的物理网络地址时，才能进行 通信。那么，如何把一个IP地址映射到正 确的物理地址上呢？
韩雪琴 3
201202

IP地址是成对的：网络号（Netid）和主机 号（host），其中网络号标识某个网络， 主机号标识该网络上的某台主机。同一网 络的所有主机的IP地址共享统一前缀。为 考虑不同网络的规模，IP地址分为五大类 即：A、B、C、D、E。
201202
韩雪琴
4
Class A B C D E
韩雪琴 8
201202
特殊IP地址




主机号为全“1”的地址作为定向广播地址。 本地广播地址（有线广播地址）有32个“1”组 成。一台主机在了解自己的IP地址或本地网络的 IP地址前缀之前，可以在启动过程中使用本地广 播地址。 一般来说，互联网把全“1”字段解释成“所有”； 把全“0”字段解释成“本”。 IP编址方式还支持多点发送（组播），在这种发 送形式中，分组被发送给一系列主机的子集。D 类地址用于组播。 环回地址，IP地址127.0.0.0保留用于环回，用来 测试TCP/IP以及本机进程间的通信。
0 0
全1 Netid 127
201202
0 Host -id
全1 全1 任何 数
可以 可以
不可 以 不可 以 可以
不可以 不可以
可以 可以 可以
韩雪琴
在本网络上的本主机 在本网络上的某个主机
只在本网络上进行广播 （各路由器均不转发） 对net-id上的所有主机进行 广播 用作本地软件回送测试 （loopback test）
IP 地址
硬件地址
HA1 HA3 HA4
IP 层上的互联网
HA5
HA6
HA2
从 HA1 到 HA3
从 HA4 到 HA5
从 HA6 到 HA2
MAC 帧
201202
MAC 帧
韩雪琴
MAC 帧
21
ARP实现


发送分组时，给定一个目的站的IP地址，软件查 询它的ARP缓存，若有则提取该物理地址，把数 据放到使用该地址的帧中，并发送该针；若没有， 则软件必须广播一个ARP请求并等待应答。 广播ARP请求来找到地址映射时，可能出现的情 况：
韩雪琴 13
201202
2.2 子网编址和超网编址



尽管最初要求每个物理网络有一个唯一的网络前 缀，随着局域网技术的流行，每个物理网络所需 要的独特的前缀会迅速耗尽地址空间。因此，需 要对编址方法进行扩展。 80年代，开发了一种地址扩展来保存网络前缀， 称为子网编址，允许多个物理网络共享一个前缀。 90年代，设计出第二种方式，忽略分类层次并允 许在任意位置进行前缀和后缀的划分，称为无类 型编址或超网编址，允许更复杂的利用地址空间。
韩雪琴
201202
15
通过动态绑定进行转换



考虑同一物理网络上的两台机器A和B。给他们 分配的IP地址分别是IA和IB，物理地址是PA和PB。 如果A想给B发送数据，并且A只知道B的IP地址， 它必须首先查找B的物理地址。 TCP/IP协议设计人员采用一种创造性的方法， 解决了诸如以太网这样具有广播能力物理网络的 地址转换问题。 选用一个低层协议动态绑定地 址，这个协议称为地址转换协议ARP，提供了一 种即高校又易于维护的机制。 如下图所示，当A要转换IP地址IB时，它发送一 个含有B的IP地址的ARP广播，请求B的物理地 址，包括B在内的所有主机接收到这个请求，只 有B收到该广播后，向A回应其物理地址。当A 收到应答后，就用该物理地址把互联网分组直接 发送给B。

201202
韩雪琴
2
2.1 分类编址机制


一个通信系统允许任一台主机与其他任何主机进 行通信，则说系统提供通用通信服务。为了使通 信系统通用，需要一个全球都接受的方法来标识 所有连在网上的计算机。TCP/IP选用地址和名 字作为通用主机标识符。采用简洁的二进制地址 作为标准，则使选路之类的计算更加高效。 TCP/IP的设计人员选择了一种模拟物理网络编 址的机制，为互联网上的每台主机都分配了一个 32比特的整数地址称为互联网地址或IP地址。该 地址用在所有与该主机的通信中。
韩雪琴 23
201202
ARP的封装与标识
当ARP报文从一台机器传输到另一台机器 时，必须放入物理帧中。为了识别携带 ARP请求或应答分组 ARP报文的帧，发送方给帧首部的类型字 段分配了一个特殊节值，并把ARP报文放 在该帧的数据字段中。当每一帧到达计算 机时，网络软件通过帧类型确定其内容。 帧类型 前同步码 目的地址 源地址 数据区 CRC 在以太网中，携带ARP报文的帧类型字段 0806H 是0806H。接收方的网络软件必须进一步 8字节 6字节 6字节 2字节 28字节 4字节 区分ARP请求和应答。请求报文是广播发 送，应答报文是单播发送。
韩雪琴 9
201202
222.1.1.1 LAN1 222.1.1.0 LAN3 222.1.3.0 R1 222.1.5.1 N2 222.1.5.0 222.1.5.2 R3 222.1.3.3
222.1.1.2
222.1.1.3 LAN2 222.1.2.0
222.1.1.4
222.1.2.1
韩雪琴 16
201202
ARP协议过程
ARP 请求 ARP 应答 IP=192.1.0.2 PA=YYY PA=?
A
IP= 192.1.0.1 PA= AAA

B
X
Y
IP=192.1.0.2 IP=192.1.0.3 IP=192.1.0.4 PB=BBB PX=XXX PY=YYY
注意，虽然所有接口都收到 了信息，但只有B识别它的IP 地址，回应该请求，这保证 了回应的正确且避免了过期 的信息。


如果一台主机从一个网络移到另一个网络，必须 改变它的IP地址。地址指的是网络连接，而不是 指主机。 选路基于互联网地址，地址的网络号部分用于选 路决策，因此发送到多IP地址主机的分组所经过 的路径依赖于使用的地址。
201202
韩雪琴
11
一般不使用的特殊IP地址
NETID HOST 源地址 -ID 使用 目的地址 使用 代表的意思
目标主机可能下网 ARP广播可能丢失 应用程序产生的对同一地址的其他ARP请求 绑定表在固定时 请求成功后，B出现故障 间后清除表项
韩雪琴
保存分组，一旦地址 转换成功立即发送
避免多 次广播
22
201202
ARP实现



当ARP分组到达时，软件首先提取发送方的IP地 址和物理地址，并检查本地的高速缓存，看是否 有该表项，若有，则用新的物理地址覆盖缓存中 的地址；若没有，则把这个地址添加到缓存中。 如果到达的是一个ARP请求，则接收方要查看自 己是否是请求的目标。若是则ARP软件用本机的 物理地址形成应答，直接发给请求方。若不是则 忽略该分组。 如果到达的是一个ARP应答，则更新或创建该高 速缓存表项。若是先前发出请求的应答，则开始 发送分组；若以前没有发出应答中的IP地址请求 则更新表象后，停止处理分组。
201202
韩雪琴
18

事实上，互联网中的分组在从源站到目的站的路 径上，每一步都要执行地址映射。分两种情况：
第一，在发送分组的最后一步，分组必须通过一个物 理网络发送到他的最终目的站。发送分组的计算机必 须把目的站的IP地址映射到他的物理地址； 第二，沿着从源站到目的站的路径，除了最后一步， 在每一点都必须把分组发送到一个中间路由器。发送 方把中间路由器的IP地址映射到一个物理地址。
韩雪琴 17
201202
ARP缓存




使用ARP的计算机维护着一个高速缓存，存放最近获 得的IP地址到物理地址的绑定。当一台机器发送一个 ARP请求并接收到一个ARP应答时，就在高速缓存中 保存IP地址及其对应的物理地址，以便以后查询。 发送者的<IP address, hardware address>对同时被 存到接收ARP请求的主机的本地ARP表中，一般A想与 B通信时，B可能也需要与A通信。 这样，当一个网络上的两台计算机进行通信时，先以 ARP请求和应答开始，然后就会反复传送分组，不再 需要为任何一方使用ARP。 为避免信息“失效”，ARP缓存提供了软状态。使用 计时器，当计时器超时后则删除状态信息
12
IP 地址是宝贵的网络资源



IP 地址的总数：232 = 4 294 967 296 个，接近 43 亿个。 由于 IP 地址的总数有限，因此 IP 地址是非常宝 贵的资源。由Internet编址管理机构（ICANN） 统一管理和分配。需要使用大量 IP 地址的单位 必须向ICANN进行申请。现在仅能申请到B、C类。 获得网络号net—id后，各主机号host—id，由 单位自行分配。 大型的ISP需要和一个权威组织ICANN联络，获得 一个网络的前缀。使用少量 IP 地址的用户，向 就近的本地因特网服务提供者 ISP 申请。

201202
韩雪琴
20
主机 H1
IP1
HA1 硬件地址
主机 H2
路由器 R1
HA4 局域网 HA5
路由器 R2
HA6 局域网
IP2 HA2
局域网
HA3
IP 数据报
从 IP1 到 IP2 IP1
路由器 R1
IP3 IP4
路由器 R2
从 IP1 到 IP2 IP5 IP6 从 IP1 到 IP2
IP2
222.1.3.1
222.1.6.1 N3 222.1.6.0 222.1.2.5
222.1.6.2 N1 222.1.4.0 222.1.4.2 R2
222.1.2.2
B
222.1.3.2
222.1.4.1
互连网中的IP地址
201202 韩雪琴
222.1.2.3
222.1.2.4
10
Internet编址方法的缺陷
第2章 IP地址及地址转换
2.1 分类编址机制 2.2 子网编址和超网编址 2.3 网络地址到物理地址的映射 2.4 物理地址到网络地址的映射
201202 韩雪琴 1
主要内容
IP地址的功能与作用， IP地址分类与表示， 一些特殊的IP地址，IP地址的扩展。 IP地址与物理地址的关系以及转换协议。

要注意的是，当要通信的两主机A和B不在同一 网段时，A只向下一跳的路由器发送ARP请求， 而不是直接向B发送。
201202
韩雪琴
19
IP 网络是虚拟网络
IP 网络是虚拟的。在 IP 网络上传送的是 IP数据报（IP 分组）。 实际上在网络链路上传送的是“帧”，使 用的是帧的硬件地址（MAC 地址）。 地址解析协议 ARP 用来把 IP 地址（虚拟 地址）转换为硬件地址（物理地址）。 下面的图说明IP 网络是虚拟网络

B类
10000000.00000001-10111111.11111110 （214-2）个网络号 128.1-191.254 每个网络有六万五千（216-2）多个主机号

C类
11000000-11011111 192.0.1-223.255.254 超过两百万（221-2）个网络号 每个网络有二百五十六（28-2）个主机号