第八章-IP地址和子网

2012年12月
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8.2 IPv4子网划分与聚合
为了解决IPv4的不足，提高网络划分的灵活性， 诞生了两种非常重要的技术，那就是VLSM（可变 长子网掩码）和CIDR（无类别域间路由），把传 统标准的IPv4有类网络演变成一个更为高效，更 为实用的无类网络。 VLSM用于IPv4子网的划分，也就是把一个大的 网络划分成多个小的子网；而CIDR则用于IPv4子 网的聚合，当然主要是指路由方面的聚合，也就 是路由汇总。通过CIDR可以把多个小的子网路由 条目汇总成一个大网络的路由条目，以减少路由 器中路由条目的数量，提高路由效率。
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3. C类IPv4地址 C类IPv4地址结构如下图所示，其“网络ID”占用 最高的前三个字节，而“主机ID”只占最后的一个 字节。
C类IPv4地址的“网络ID”的最高两位固定分别为 1、1、0，后面的21位可变。由此得知C类网络总数 为2097152个。C类IPv4地址中“主机ID”仅为8位， 所以可用的“主机ID”数，也就是每个C类网络拥有 的IPv4地址数为256个。同样因为网络地址和广播地 址不能分配给主机使用，所以可用的地址数为254。 C类单播地址的子网掩码为固定的255.255.255.0。
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8.1 IPv4地址
8.1.1 IPv4地址基本格式 IPv4使用32位（4字节）地址，因此整个地址空间 中有4,294,967,296（232）个地址，也就是近43亿个 地址。 IPv4地址在计算机内部是以二进制形式表示，每 个地址都有32位由数字0和1构成。实际使用中是以 四段以小圆点分隔的十进制数表示，每段一个字节 长。基本结构如下图所示。
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4. D类IPv4地址 D类IPv4的地址结构如下图所示，规定在最高字节 中前4位分别固定为1、1、1、0，整个组播地址范围 为224.0.0.0 ~ 239.255.255.255。 D类IPv4地址是组播地址，用于IPv4组播通信中。 IPv4组播通信中，组播源主机（使用单播IPv4地址） 只需发送一份数据，就可以使对应组播组（使用D类 组播IPv4地址）中的一个或多个主机（使用单播 IPv4地址）收到这份数据的副本的通信方式。 根据不同的应用环境和用途又划分为：预留组播 地址、公用组播地址、临时组播地址、本地管理组 播地址三大类。具体参见书中介绍。
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8.1.6 几种特殊的IPv4地址
1． 私网IP地址 私网IP地址就是专用于局域网使用的IP地址，在A、 B、C类IPv4地址中均有一段是专用于局域网的私有 地址段： • 10.0.0.0/8（10.0.0.0，255.0.0.0） • 172.16.0.0/12（172.16.0.0，255.240.0.0） • 192.168.0.0/16（192.168.0.0，255.255.0.0） 2. 169开头的IPv4地址 这称之为“自动专用IP地址”，其地址范围为： 169.254.0.0/16，子网掩码为255.255.0.0。
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8.2.1 VLSM子网划分的基本思想
通过VLSM实现子网划分的基本思想很简单，就是 把原来标准网络IPv4地址中的“网络ID”部分向 “主机ID”部分借位，把一部分原来属于“主机ID” 部分的位变成“网络ID”的一部分（通常称之为 “子网ID”），如下图所示。原来的“网络 ID”+“子网ID”=新“网络ID”，“子网ID”长度 决定了可以划分子网的数量。有关VLAM子网划分的 具体方法参见书中介绍。
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8.2.3 VLSM子网划分方法
已知子网数和最大地址数，求子网掩码、子网地 址范围、网络地址和广播地址的基本计算步骤如下： （1）根据所需的子网数和最大地址数确定划分子网 后的新“网络ID”长度和新“主机ID”长度； （2）根据新“主机ID”长度确定子网划分后各子网 的地址块大小，由此可进一步确定各子网的地址范 围、网络地址和广播地址； （3）根据下面的公式得出划分子网后各子网共同的 子网掩码。 新子网掩码=原“网络ID”.新“主机ID”中各字节 分别用256-各子地址块
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2. B类IPv4地址
B类IPv4地址结构如下图所示，其“网络ID”占用 最高的前两个字节，而“主机ID”则占用剩余的两 字节。
B类IPv4地址的“网络ID”的最高两位固定分别为 1、0，后面的14位可变。由此可知B类网络的总数o 16384个；B类IPv4地址中“主机ID”为16位，所以 可用的每个B类网络拥有的IPv4地址数为65536个。 同样因为网络地址和广播地址不能分配给主机使用， 所以实际上可用的地址数为65534。 B类IPv4地址的子网掩码为固定的255.255.0.0。
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已知子网地址前缀或子网掩码，求子网地址范围、 网络地址和广播地址的基本计算步骤如下： （1）根据子网的地址前缀或子网掩码确定该子网 地址块大小； （2）根据地址块大小，可进一步确定该子网的地 址范围、网络地址和广播地址。 从以上这两种情形的计算步骤中可以看出，最关 键的步骤都是要确定子网的地址块大小（2n，n代表 “主机ID”位数）。知道了地址快大小就知道了包 括“主机ID”部分各字节的子地址块大小。 8.2.4 VLSM子网划分示例（略） 8.2.5子网聚合方法及示例（略）
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8.1.3 IPv4地址的基本分类
整个232个IPv4地址定义了五个类别：A、B、C、 D和E。A、B和C类用于单播通信中设备IP地址分 配，D类被属于组播地址，用于组播通信，E类是 保留地址。它们均有不同的网络类别（也就是 “网络ID”）长度，用来标识不同的网络类别， 剩余的部分被用来识别网络内的主机（称之为 “主机ID”）。 “网络ID”用来确定每类网络 中有的网络数，而“主机ID”则用来确定每个网 络中有的IP地址数。
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第8章 IP地址和子网
本章要专门介绍在IP网络中我们每天都 要配置的IPv4和IPv6地址，其中主要包括 IPv4地址和IPv6地址的表示形式和分类， 各类IPv4、IPv6地址结构，以及在进行网 络规划和设计中经常需要考虑的IPv4子网 划分与聚合方法，IPv6地址的自动配置过 程。
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3. 127.0.0.1地址 该地址叫做“环回地址”（Loopback Address）， 是主机IP堆栈内部的IPv4地址，主要用于网络软件 测试以及本地机进程间通信；在IP网络中就是用来 测试主机TCP/IP协议是否工作正常。 4. 0.0.0.0地址 0.0.0.0地址代表所有IPv4地址，常用于默认路由 配置，或者代表整个不确定的IP地址范围。
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8.1.5 IPv4地址前缀表示形式
传统的IPv4地址表示方法是在给出具体的IPV4地 址的同时给出它所对应的子网掩码，如 192.168.1.10，255.255.255.0等。 为了能更加简便的书写，采取了一种比较简单的 地址前缀表示形式，就是在一个IPv4地址后面先加 上一个斜杠（/），然后在这个斜杠后面直接写出该 地址所在网络的“网络ID”，或者“子网掩码”长 度，因为“网络ID”长度决定了具体IPv4地址所属 的网络。如192.168.1.10/24代表的是一个标准的C 类网络IPv4地址，而10.1.0.10/8则代表了一个标准 的A类网络IPv4地址。
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8.1.5 网络地址、主机地址和广播地址
1. 网络地址、主机地址、广播地址的定义 “网络地址”和“广播地址”是任何一个有类和无 类网络的两个特殊的IPv4地址。“网络地址”是用 来标识一个有类或无类网络的地址，是对应网络或 子网的第一个IPv4地址，即“主机ID”部分全为0的 IPv4地址；而“广播地址”则是一个有类或无类网 络中的最后一个IPv4地址，即“主机ID”部分全为1 的IPv4地址，可通过这个地址向对应网络或子网以 广播方式发送数据包（也就是广播通信），让本地 网络或子网的所有节点都可收到同一数据包。
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5. E类IPv4地址 E类IPv4属于IANA保留使用，不分配给用户使 用的IPv4地址，地址段范围为240.0.0.0 ~ 247.255.255.255，其特征是最高5位分别是1、1、 1、1、0，如下图所示，也就是有27位是可变的。
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8.1.4 有类/无类IPv4网络
有类IPv4网络就是针对上节介绍的A、B、C、D、E 类IPv4地址而言。在这类网络中，每类IPv4地址都 有固定长度的网络ID，也就是有固定的子网掩码。 这大大降低了IPv4地址的利用率和可用的网络数。 为了解决这些问题，推出了VLSM技术，使每个 IPv4地址的网络ID长度都可以不固定。由这样的 IPv4地址配置的网络就是无类IPv4网络。我们通常 把以前的有关网络称之为标准网络，而把网络ID长 度大于对应标准网络的网络称之为“子网”，而把 网络ID长度小于对应标准网络的网络称之为“超 网”。有关VLSM带来的好处，具体参见书中介绍。
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1. A类IPv4地址 A类IPv4地址结构如下图所示，其中“网络ID”占用 最高一个字节，而“主机ID”则占用剩余3个字节。
且规定，A类IPv4地址中“网络ID”的最高位固 定为0，后面的7位可变。所以A类网络的总数为128 个。又因A类IPv4地址中“主机ID”有24位，所以可 用的“主机ID”数（即每个A类网络中拥有的IPv4地 址数）为166777216。但网络地址和广播地址不能分 配给主机使用，所以可用的地址数为166777214。 A类IPv4地址的子网掩码为固定的255.0.0.0。
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8.2.2 “全0子网”与“全1子网”
“全0子网”代表的是对应子网的“子网ID”部分 各位都是0，是第一个子网，而“全1子网”代表的 是对应子网的“子网ID”部分各位都是1，是最后一 个子网。 按照RFC950参考规定，划分子网后，只有n-2个可 用的子网（n表示总的子网数），第一个子网（也就 是“全0子网”）和最后一个子网（也就是“全1子 网”）不可用。但是在后来RFC1878规定中，该项规 定已被废止了，现在的设备基本上都普遍支持 RFC1878。至于为什么RFC950要规定第一个和最后一 个子网不可用，参见书中介绍。
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在一个对应网络或子网中，除了网络地址和广播 地址外，中间其它的所有地址都是“主机地址”。 它是可直接分配给主机使用的IPv4地址。 2. 广播地址类型 IPv4广播地址就出了以下几种： • 网络广播地址：对应标准网络的广播地址，可在 整个对应标准网络中广播。 • 子网广播地址：对应子网的广播地址，可在整个 对应子网中广播。 • 全子网定向广播地址：对应标准网络的广播地址， 可以对应标准网络内所有子网中广播。 • 有限广播地址：255.255.255.255，可在网络ID未 知情况下在整个对应标准网络或子网中广播。 13 《深入理解计算机网络》教学课件
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8.1.2 子网掩码
子网掩码与IP地址一样，也是由32位二进制组成 的。它被分成“网络ID”和“主机ID”两部分。 “网络ID”部分全是“1”；“主机ID”部分全是 “0”表示。如下图所示。IP地址与子网掩码进行逻 辑“与”运算后就把IP地址也分成了“网络ID”和 “主机ID”两部分。子网掩码的作用就是获取主机 IPv4地址中的网络地址信息，用于区别主机通信不 同情况，选择不同路由。子网掩码一旦设置，对应 IPv4地址中的网络ID和主机ID部分就固定了。