第7章 网络互联与IP地址

7.2 IP地址
7.2.3 IP地址的编址及表示
1. IP地址的编址方法 IP地址的编址方法有三种（三个历史阶段）： 1） 分类的IP地址。这是最早、最基本的编址方法。 2） 子网划分。这是对分类IP地址的改进。 3） 无分类编址。这是目前最新的编址方法。
7.2 IP地址
7.2.3 IP地址的编址及表示
7.2 IP地址
7.2.1 IP地址的作用
统一物理地址的表示方法是不现实的。因为物理地址表示方法是和 每一种物理网络的具体特性联系在一起的，市场也需要不同的物理网络 。因此，互联网对各种物理网络地址的“统一”必须在IP层完成。 Internet使用IP协议，在全球范围内实现不同硬件结构、不同操作 系统、不同网络系统的互联。在Internet上，每一个节点都依靠IP地址 互相区分和相互联系。 IP地址构成了整个Internet的基础。每一台联网的主机无权自行设 定IP地址，而是由因特网名字与号码指派公司（ICANN，Internet Corporation for Assigned Names and Numbers）负责对申请的组织分 配唯一的网络ID,而该组织可以对自己的网络中的每一个主机分配一个唯 一的主机ID。正如一个单位无权决定自己在所属城市的街道名称和门牌 号，但可以自主决定本单位内部的各个办公室编号一样。 一个IP地址标志一台主机的说法并不准确。严格地讲，IP地址指定 的不是一台计算机，而是计算机到一个网络的连接。
7.2 IP地址
7.2.4 分类的IP地址
3. C类地址 C类地址使用前3个字节表示网络号，剩下1个字节表示主机号。由于 第1个字节的最高位必须是“110”，故只有21位可供使用来表示网络号 ，后面8位表示主机号。 同样，因为网络号后21位无论怎样取值，也不可能出现使前3个字节 的网络号成为全O或全1的情况，因此这里也不存在网络总数减2的问题。 因此，C类地址可提供的网络号有221=2097152个，每个网络里面的 主机号有28-2=254个。 C类地址提供的网络号有200多万个，但每一个网络里面可容纳的主 机数只有254，因此，它一般用于小规模网络。C类地址占整个IP地址总 数的12.5%。
7.2 IP地址
7.2.2 IP地址的层次结构
一个互联网包括了多个网络，而一个网络又包括了多台主机。因此 ，互联网是具有层次结构的，如图所示：
7.2 IP地址
7.2.2 IP地址的层次结构
为了适应这个层次结构，IP编址必须划分为两部分：网络号和主机 号。如图所示。
网络号用于标识在互联网中的一个网络区域编号，主机号用于表示 在一个网络区域中主机的一个连接。整个互联网上的计算机都依靠各自 唯一的IP地址来标识。如果给出一个具体的IP地址，马上就能知道它位 于哪个网络，这给IP互联网的路由选择带来很大好处。 实际上IP地址与生活中的电话号码非常类似。IP地址的网络号相当 于区号，主机号相当于电话号码。处在同一个IP网络的通信相当于打市 话，跨网通信相当于打长途。 同一个网络（网络号相同）的IP地址可以直接通信；不同网络（网 络号不同）的IP地址不可以直接通信（即使处于同一个物理网络也不行 ），必须经过路由器转发才能通信。
7.1.3 IP层的特点
互联网应该屏蔽低层网络的差异，为用户提供通用的服务。具体地 讲，运行IP协议的互联层可以为其高层用户提供的服务有如下3个特点： 1） 不可靠的数据投递服务。 2） 面向无连接的传输服务。 3） 尽最大努力投递服务。
7.1 网络互联
7.1.4 IP互联网的特点
IP互联网是一种面向非连接的互联网络，它对各个物理网络进行高 度的抽象，形成一个大的虚拟网络。总的来说，IP互联网具有如下特点 ： 1） IP互联网隐藏了低层物理网络细节，向上为用户提供通用的、 一致的网络服务。 2） IP互联网不指定网络互联的拓扑结构，也不要求网络之间全互 联。 3） IP互联网能在物理网络之间转发数据，信息可以跨网传输。 4） IP互联网中的所有计算机使用统一的、全局的地址描述法。 5） IP互联网平等地对待互联网中的每一个网络。
教学要求:
知识要点 网络层互联 IP层 IP地址 ARP 能力要求 理解网络层互联的基本概念 相关知识 网络层
理解IP层的特点
掌握IP地址，能规划、配置IP地址 理解ARP协议工作过程
IP层
编址、子网、掩码 ARP协议
7.1 网络互联
7.1.1 IP层网络互联
随着信息技术的发展，单一的局域网络无法满足用户各种的需求。 在日常生活中接触的计算机网络通常都是是利用互联设备——路由器（ Router），将两个或多个不同类型的物理网络相互联接而形成的，简称 互联网。
2. IP地址的直观表示法 根据TCP/IP协议规定，IP地址是由32位二进制数组成，包含了网络 号（netid）和主机号（hostid）两部分。为了表示方便，常常把它看做 4个字节（每个字节8位）。 平时使用IP地址的时候，由于二进制表示不方便，因此可采用点分 十进制表示法，即将4字节的二进制数值转换成4个十进制数（每个数在 0-255之间），中间用“.”号隔开，表示成W.X.Y.Z的形式，如图所示：
7.2 IP地址
7.2.3 IP地址的编址及表示
例如二进制IP地址：11001010 01011101 01111000 00101100 表示成点分十进制：202.93.120.44
注意：IP地址的原始定义及表示都是二进制，所涉及的IP地址计算 也都是按照二进制方式进行的。表示成十进制只是为了方便使用而已。
7.2 IP地址
7.2.5 特殊IP地址
2） 本网广播 地址255.255.255.255表示本网广播地址，也称作有限广播地址。如 果采用分类IP编址，那么广播将被限制在本网络之中；如果采用子网划 分编址，那么广播将被限制在本子网之中。 本网广播不需要知道网络号。因此，在主机不知道本机所处的网络 时（如主机的启动过程中），只能采用本网广播方式。
7.1 网络互联
7.1.1 IP层网络互联
路由器是一个工作在网络层的设备，因此网络互联必须使用路由器 。路由器的主要作用是在互联网中进行路由选择。由于历史的原因，有 些地方把路由器叫做网关（如Windows系列操作系统的IP设置部分）。 特别指出的是：在IP层抽象的互联网上只能看到IP数据报（IP层传 输的数据单元）；在局域网的数据链路层，只能看见MAC帧，IP数据报被 封装在MAC帧中。
7.2 IP地址
7.2.4 分类的IP地址
在分类IP地址中，可通过第1字节的范围直接识别IP地址属于ABC哪 一类，如下表所示。
类别 第1字节范 围 1～126 网络地址 主机地址 网络数 主机数 适用
A
1字节
3字节
126
16777214
大型网络
B
C
128～191
192～223
2字节
3字节
2字节
1字节
7.1 网络互联
7.1.2 IP层与数据链路层
如果说IP数据报是IP互联网中行驶的车辆，那么IP协议就是IP互联 网中的交通规则，连入互联网的每台计算机及处于十字路口的路由器都 必须熟知和遵守该交通规则。发送数据的主机需要按IP协议装载数据， 路由器需要按IP协议指挥交通，接收数据的主机需要按IP协议拆卸数据 。满载着数据的IP数据包从源主机出发，在沿途各个路由器的指挥下， 就可以顺利地到达目的主机。 IP协议精确定义了IP数据报格式，并且对数据报寻址和路由、数据 报分片和重组、差错控制和处理等做出了具体规定。
7.1 网络互联
7.1.1 IP层网络互联
互联网屏蔽了各个物理局域网 络的差别（例如寻址机制的差别、 帧最大长度的差别、差错恢复的差 别等等），隐藏了各个物理网络实 现细节，为用户提供通用服务。因 此，用户常常把互联网看成一个虚 拟网络系统，如图所示。这个虚拟 网络系统是对互联网结构的抽象， 它提供通用的通信服务，能够将所 有的主机都互联起来，实现全方位 的通信。
第7章 网络互联与IP地址
7.1 网络互联
7.2 IP地址
7.3 子网掩码
7.4 无分类编址 7.5 地址解析协议ARP 7.6 实训：IP地址规划与配置
教学目标与教学要求
教学目标:
本章主要介绍网络层的基础知识。通过本章的学习，应该理解网络层互联的 基本概念；掌握IP层的特点以及与数据链路层的工作关系；掌握IP地址编址方法 、子网划分及子网掩码；掌握无分类编方法；理解ARP协议工作过程。
7.2 IP地址
7.2.4 分类的IP地址
2. B类地址 B类地址使用前2个字节表示网络号，剩下2个字节表示主机号。由于 第1个字节的最高位必须是“10”，故只有14位可供使用来表示网络号， 后面16位表示主机号。 因为网络号后14位无论怎样取值，也不可能出现使前2个字节的网络 号成为全O或全1的情况，因此这里不存在网络总数减2的问题。 因此，B类地址可提供的网络号有214=16384个，每个网络里面的主 机号有216-2=65534个。 B类地址提供的网络号有1万多个，但每一个网络里面可容纳的主机 数有6万多，因此，它一般用于中等规模网络。B类地址占整个IP地址总 数的25%。
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7.2 IP地址
7.2.5 特殊IP地址
2. 广播地址 当一个主机向网络上所有的主机发送数据时，就产生了广播。IP广 播有两种形式。 1） 直接广播 根据IP地址方案规定，直接广播地址是：有效的网络号 + 全“1” 的主机号。 在IP互联网中，任意一台主机均可向其他网络进行直接广播。例如C 类地址201.53.203.255就是一个直接广播地址。向这个地址发送信息， 会将信息同时发送到网络201.53.203.0里面的所有主机。
7.2 IP地址
7.2.4 分类的IP地址
在互联网中，网络数量有多少是难以确定的，每一个网络的规模也 可能有大有小。有的网络具有成千上万台主机，而有的网络仅仅有几台 主机。 为了适应各种不同的网络规模，将IP地址分成A、B、C、D、E共5类 。它们分别使用IP地址的前几位加以区分，利用IP地址的前4位就可以判 断出它的地址类型。 A、B、C类地址是单播地址（一对一通信），D类地址用于多播通信 （一对多通信），E类地址保留以后使用。D类和E类使用较少，暂不作介 绍。
7.1 网络互联
7.1.2 IP层与数据链路层
IP互联网工作机理示意图：
7.1 网络互联
7.1.2 IP层与数据链路层
如果我们只从网络层考虑问题，那么IP数据报就可以想象是在网络 层中传送，如图7-4所示。这样就不必考虑完整的协议栈，使问题变得更 加简单。虚拟IP层直接传输示意图如下：
7.1 网络互联
7.2 IP地址
7.2 IP地址
7.2.4 分类的IP地址
1. A类地址 A类地址使用前1个字节表示网络号，剩下3个字节表示主机号。由于 第1个字节的最高位必须是“0”，故只有7位可供使用来表示网络号，后 面24位表示主机号。 网络号全0或全1、主机号全0或全1都有特殊含义，不能直接作为IP 地址分配给主机。因此，在计算有多少个网络号、多少个主机号的时候 ，都要“掐头去尾”（减2）。B类和C类地址也是一样。 因此，A类地址可提供的网络号有27-2=126个，每个网络里面的主机 号有224-2=16777214个。 A类地址提供的网络号较少，但每一个网络里面可容纳的主机数达 1600多万，因此，它一般用于大型网络。A类地址占整个IP地址总数的 50%。
16384
2097152
65534
254
中型网络
小型网络
按照TCP/IP协议的观点，一个“网络”是指具有相同网络号的IP地 址集合，是一个“逻辑”网络，与物理网络并不是一一对应的。一个物 理网络可划分为多个IP网络，一个IP网络也可以包含多个物理网络。
7.2 IP地址
7.2.5 特殊IP地址
正如特别的电话号码表示特别的用途，也需要特殊的IP地址表示一 些特殊的含义。 1. 网络地址 在互联网中，经常需要使用“网络地址”表示一个网络。根据IP地 址方案规定，网络地址是：有效的网络号 + 全“0”的主机号。 例如，在A类网络中，地址69.0.0.0就表示网络号为69的网络地址。 IP地址为201.53.203.67（C类地址）的主机所处的网络为201.53.203.0 ，它的主机号为67。