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1、第3章 IP地址,3.1 IP地址3.2 分类IP地址3.3 特殊IP地址 3.4 私有网络地址3.5 IP地址配置3.6 子网及子网掩码 3.7 超网3.8 无类地址,3.1 IP地址,地址是标识对象所处位置的标识符。传输中的信息带有源地址和目的地址，分别标识通信的源结点和目的结点，即信源和信宿。目的地址是传输设备为信息进行寻址的依据。不同的物理网络技术（底层网络技术）通常具有不同的编址方式，这种差异主要表现：不同的地址结构不同的地址长度,在一个物理网络中，每个结点都至少有一个机器可识别的地址，该地址叫作物理地址。物理地址又称为硬件地址、MAC地址或第二层地址。物理地址有两个特点：不一致性不
2、唯一性不一致性是指不同的物理网络技术采用不同的编址方式；不惟一性是指不同的物理网络中的结点的物理地址可能重复。,为了保证寻址的正确性，必须确保一个网络中结点地址的惟一性。另外，不同物理网络在地址编址方式上的不统一会给寻址带来极大的不便。在进行网络互联时首先要解决的问题是物理网络地址的统一问题。因特网是在网络级进行互联的，因此，因特网在网络层（IP层）完成地址的统一工作，将不同物理网络的地址统一到具有全球惟一性的IP地址上，IP层所用到的地址叫作因特网地址，又叫IP地址。,实现地址统一的概念模式如图3-1所示。,因特网采用一种全局通用的地址格式，为全网的每一个网络和每一台主机都分配一个IP地址，
3、以此屏蔽物理网络地址的差异。因特网沿用了ARPANET的思想，仍然采用层次型地址。因特网由网络联结而成，网络由主机联结而成。这种地址体现了网络的层次结构，便于进行寻址。IP地址由网络号和主机号构成。表示为：IP-address:=,因特网的IP协议提供了一种全因特网通用的地址格式（保证一致性），并在统一管理下进行IP地址的分配（保证惟一性），确保一个地址对应一台因特网主机（或路由器）。网络标识(网络号)的长度决定整个因特网中能包含多少个网络。主机标识(主机号)的长度决定每个网络能容纳多少台主机。由于IP地址标识了一个主机的位置（所属的网络），当将一台主机从一个网络移到另一个网络时必须改变这台主
4、机的IP地址。,IPv4规定，因特网地址长度为32比特（IPv6规定地址长度为128比特）。IPv4的地址空间为232，即4 294 967 296个IP地址。IP地址一般用点分十进制数表示，例如。这四个用点分隔的段分别对应四个字节。IP地址也可以用二进制（11001010 01110111 01010100 01111000）或十六进制表示（0XCA775478）。IP地址的二进制表示在讨论地址类别和掩码时经常会用到，而十六进制表示在IPv4中很少使用。,返回,3.2 分类IP地址,传统的因特网采用分类地址。IP定义了五类IP地址：A类、B类、C类、D类和E类。如图3-3所示。,各类网络所占
5、地址空间的比例如图3-4所示。A、B和C是三个基本的类，分别代表不同规模的网络:A类地址:1个字节的网络号,3个字节的主机号，用于少量的大型网络。B类地址:2个字节的网络号,2个字节的主机号，用于中等规模的网络。C类地址:3个字节的网络号,1个字节的主机号，用于小规模的网络。,A类地址 第一个字节的最高位固定为0，另外7比特可变的网络号可以标识128个网络（0127），0一般不用，127用作环回地址。所以共有126个可用的A类网络。A类地址的24比特主机号可以标识1677216台主机（224=1677216）主机号为全0时用于表示网络地址主机号为全1时用于表示广播地址这两个主机号不能用来标识主
6、机。所以，每个A类网络最多可以容纳1 677 214台主机。A类地址的第一个字节的取值范围为0127。,B类地址第一个字节的最高2比特固定为10，另外14比特可变的网络号可以标识214=16384个网络。16比特主机号可以标识65 536台主机。（216=65536），由于主机号不能为全0和全1。所以，每个B类网络最多可以容纳65534台主机。B类地址的第一个字节的取值范围为128191。C类地址第一个字节的最高3比特固定为110，另外21比特可变的网络号可以标识221=2097152个网络。8比特主机号可以标识256台主机(28=256)，由于主机号不能为全0和全1。所以，每个C类网络最多可
7、以容纳254台主机。C类地址的第一个字节的取值范围为192223。,D类地址用于组播（multicasting），因此，D类地址又称为组播地址。D类地址的范围为，每个地址对应一个组，发往某一组播地址的数据将被该组中的所有成员接收。D类地址不能分配给主机。D类地址的第一个字节的取值范围为224239。有些D类地址已经分配用于特殊用途：是保留地址是指本子网中的所有系统是指本子网中的所有路由器是指运行RIPv2路由协议的路由器是指移动IP中的移动代理。另外，还有一些D类地址留给了网络会议：用于IETF-1-AUDIO用于IETF-1-VIDEO,E类地址为保留地址，可以用于实验目的。E类地址的范围:
8、240.0.0.0，E类地址的第一个字节的取值范围为240255。在分类地址网络中每个网络占用一个地址块。各类网络地址块的示例如表3-1所示。,表3-1 各类网络地址块的示例,每个网络都要占用两个IP地址，一个用于标识网络，一个用于网络广播。每个网络使用该网络地址块的起始地址作为网络地址，该地址仅作为网络的标识，主要用在网络路由中。网络地址块的结束地址被用作该网络的广播地址。,在因特网的地址中包含了网络信息。当一个路由器或网关连到多个网络上时，每个网络都会给路由器或网关分配一个IP地址，设备有多少个网络连接，就有多少个IP地址。而且这些IP地址分别属于不同的网络。一台主机也可以连接多个网络，这
9、种主机叫作多宿主主机（Multi-homed Host）。多宿主主机拥有多个IP地址，每个地址对应于一个物理连接。因特网地址的本质是标识主机的网络连接。,图3-5给出了多宿主设备的地址配置。,因特网地址是由中央管理机构进行分配的。一个组织加入因特网时，从因特网的网络信息中心InterNIC获得网络前缀，然后负责组织内部的地址分配。这样，既解决了全局唯一性问题，又分散了管理负担。,返回,3.3 特殊IP地址,在IP地址中有些地址并不是用来标识主机的，这些地址具有特殊意义。特殊地址：网络地址直接广播地址有限广播地址本网络地址环回地址,1网络地址,因特网上的每个网络都有一个IP地址，其主机号部分为“
10、0”。网络地址的一般表达式为：，=，0 该地址用于标识网络，不能分配给主机，因此不能作为数据的源地址和目的地址。A类网络的网络地址为：。例如，。B类网络的网络地址为：。例如，。C类网络的网络地址为：Network-number.0。例如，。,2直接广播地址,直接广播（Direct Broadcast Address）：向某个网络上所有的主机发送报文。TCP/IP规定，主机号各位全部为“1”的IP地址用于广播，叫作广播地址。路由器在目标网络处将IP直接广播地址映射为物理网络的广播地址，以太网的广播地址为6个字节的全“1”二进制位，即：ff:ff:ff:ff:ff:ff。直接广播地址的一般表达式为
11、：，=,-1这里的“-1”表示全“1”。,直接广播地址只能作为目的地址。A类网络的直接广播地址为:。例如，120.。B类网络的直接广播地址为:。例如，139.22.255.255。C类网络的直接广播地址为:Network-number.255。例如，203.120.16.255。,3受限广播地址直接广播要求发送方必须知道信宿网络的网络号。但有些主机在启动时，往往并不知道本网络的网络号，这时候如果想要向本网络广播，只能采用受限广播地址（Limited Broadcast Address）。受限广播地址是在本网络内部进行广播的一种广播地址。TCP/IP规定，32比特全为“1”的IP地址用于本网络内
12、的广播。受限广播地址的一般表达式为：，=-1,-1其点分十进制表示为：。受限广播地址只能作为目的地址。路由器隔离受限广播，不对受限广播分组进行转发。也就是说因特网不支持全网络范围的广播。,4本网络地址TCP/IP协议规定，网络号各位全部为“0”时表示的是本网络。本网络地址分为两种情况：本网络特定主机地址和本网络本主机地址。本网络特定主机地址的一般表达式为：，=0,Hostnumber 本网络特定主机地址只能作为目的地址。A类网络的本网络特定主机地址为:0.Host-number。例如，。B类网络的本网络特定主机地址为:。例如，。C类网络的本网络特定主机地址为:。例如，。,本网络本主机地址的一般
13、表达式为：，=0,0 本网络本主机地址的点分十进制表示为：。本网络本主机地址只能作为源地址。无盘工作站启动时没有IP地址，此时采用网络号和主机号都为“0”的本网络本主机地址作为源地址。,5环回地址环回地址（Loopback Address）是用于网络软件测试以及本机进程之间通信的特殊地址。A类网络地址被用作环回地址。环回地址的一般表达式为：，=127,any习惯上采用作为环回地址，命名为localhost。当使用环回地址作为目标地址发送数据时，数据将不会被发送到网络上，而是在数据离开网络层时将其回送给本机的有关进程。在发送IP数据报时，首先要判别该数据报的目的IP地址是否为环回地址，如果是环回
14、地址，则直接将IP数据报放入IP输入队列实现环回。对于直接以本机地址作为目的地址的IP数据报也要回送给本机。对于广播或组播数据报，则在回送给本机的同时还要向网络发送。,环回接口对IP数据报的处理过程如图3-6所示。,返回,3.4 私有网络地址,因特网地址分配机构为私有网络保留了三组IP地址（RFC 1918），任何位于防火墙和代理服务器后面的私有网络都可以使用这三组地址。这三组保留地址如下：A类：B类：C类：专门提供给那些没有连接到因特网上的网络使用，与现在因特网上所使用的所有地址都不冲突。,对于没有连接到因特网的私有网络使用因特网地址分配机构分配的IP地址-浪费。使用任意的IP地址块-(将来
15、接入因特网时)可能无法正常访问因特网上的某些服务器。图3-7中代理服务器后面的私有网络采用了不是申请来的地址块，每当该私有网络中的主机试图访问因特网上的网络提供的服务时，代理服务器不会将信息转发到因特网上。,使用保留的私有网络地址的网络通过代理服务器连接到因特网时，完全不用担心和因特网上的其他网络有地址冲突。使用私有网络地址的好处:节省大量的IP地址，缓解IP地址不足的问题。借助于代理服务器的网络地址转换（NAT）功能，隐藏私有网络的地址框架，保证私有网络的安全。,返回,3.5 IP地址配置,为了确保网络上的主机能够正常工作，在为主机配置IP地址时，应遵守以下原则：同一物理网络上的所有主机应该
16、采用相同的网络号；在一个网络中主机号必须是惟一的(不同)；主机号不能为全“1”(主机号为全“1”是广播地址)；主机号不能为全“0”(主机号为全“0”表示网络)；因特网上的网络号必须是惟一的(不同)；网络号不能为全“1”；网络号不能为全“0”(“0”表示一个本地网)；网络号不能以127开头(127是环回地址)。,IP地址配置得是否正确将直接影响到网络的运行。两类最常见的IP地址配置问题是：-错误的IP地址-重复的IP地址图3-8给出了错误IP地址的一个实例。,当网络上有两台或多台主机的IP地址出现重复时，通信可能无法正常进行。使用Windows操作系统的计算机在启动期间将对TCP/IP进行初始化
17、，此时，会发送一条ARP广播，借此检查本网络中是否存在与本机地址相同的IP地址。但一些其他的网络操作系统并未进行此类检查。一种避免地址冲突的方法是使用动态主机配置协议DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）。该协议自动进行IP地址分配，不会出现地址重复。,返回,3.6 子网及子网掩码,一个标准的A类、B类和C类网络可以进一步划分为子网。子网划分技术能够使单块网络地址横跨几个物理网络，这样路由器所连接的多个物理网络可以是同属于一个网络的不同子网。,划分子网的原因主要有以下几点：（1）A类网络和B类网络的地址空间都很大，不进一步进行划分，很难得到有效的利用
18、。（2）将一个大的网络划分为多个与单位的部门相对应的小的网络更便于进行管理。（3）通过使用路由器连接子网，可以隔离广播和通信，减少网络拥塞。（4）出于安全方面的考虑，希望利用子网技术将管理网络和服务网络分开。（5）由于历史的原因和应用的需要使得一个单位可能拥有不同的物理网络，利用子网技术可以方便地实现互联。,划分子网的方法是将IP地址的主机号部分划分成两部分，拿出一部分来标识子网，另一部分仍然作为主机号。带子网标识的IP地址结构如图3-9所示。划分后IP地址由三部分组成：网络号、子网号以及主机号。因此，IP地址可以表示为：IP-address:=，,IP地址的网络号加子网号可以惟一地标识一个子
19、网，因此，我们将这两分部合起来再加上为“0”的主机号部分称为子网地址。在未划分子网时，我们可以根据网络的类别（由IP地址的第一个字节确定）得到网络号和主机号的长度。在划分子网后，我们如何知道网络号、子网号以及主机号的长度呢？为此，TCP/IP采用了子网掩码。,子网掩码是一个32位的二进制数字，它告诉TCP/IP主机，IP地址的哪些位对应于网络号和子网号部分，哪些位对应于主机号部分。子网掩码指定了子网标识和主机号的分界点。子网掩码中对应于网络号和子网号的所有比特都被设为1，而对应于主机号的所有比特都被设为0。111100 0TCP/IP协议使用子网掩码判断目的主机是位于本地子网，还是位于远程子网
20、。,获得子网地址的方法是将子网掩码和IP地址进行按位“与”运算。如图3-10所示。,究竟拿出多少比特作为子网号来标识子网，取决于子网的数量和子网的规模。各类网络的主机号的比特数用p表示，如果从p比特主机号中拿出m比特来划分子网，则剩下n=p-m比特用于标识主机。A类网络：p=24B类网络：p=16C类网络：p=8,P,n,m,网络号,子网号,主机号,m比特可以标识2m个子网，但一般不建议使用m比特子网号为全“0”和全“1”的子网，原因是有些路由协议并不同时发布网络地址和子网掩码。这样，m比特实际可以划分2m-2个可用的子网。n比特可以标识2n台主机，但n比特为全“0”时用于标识子网，为全“1”
21、时用于表示子网广播地址。这样，n比特主机号实际可以标识2n-2台主机。以B类网络为例当m=1时，第三字节的最高位拿出来划分子网。此时子网掩码为，两个子网为：172.16.0.0（10101100 00010000 00000000 00000000 子网号：0）172.16.128.0（10101100 00010000 10000000 00000000 子网号：1）这两个子网皆不建议使用。,当m=2时，第三字节的最高两位拿出来划分子网。此时子网掩码为，四个子网为：172.16.0.0（10101100 00010000 00000000 00000000 子网号：00）172.16.64.
22、0（10101100 00010000 01000000 00000000 子网号：01）172.16.128.0（10101100 00010000 10000000 00000000 子网号：10）172.16.192.0（10101100 00010000 11000000 00000000 子网号：11）当m=8时，可以划分为256个子网。，。子网掩码为,通常规划一个网络时划分子网的步骤如下：（1）确定需要多少个子网号来惟一标识每一个子网。（2）确定需要多少个主机号来标识每个物理网络(子网)上的每台主机。（3）综合考虑子网数和子网中的主机数后，确定一个符合要求的子网掩码。（4）确定标识
23、每个子网的网络号。（5）确定每个子网上可以使用的主机号的范围。,例：假设已经得到一个A类网络地址。现在想把这个网络划分成4个子网。该网络的最大的段要求9000个可供主机寻址的地址，但在未来两年内可供寻址的主机数将增至20000台。什么样的子网掩码值可以用于这个网络的子网规划呢?从主机号中拿出3比特可以划分8个子网，除去子网号为全“0”和全“1”的子网外，还可以有6个子网。这样，子网掩码为：255.224.0.0，每个子网可以容纳的主机数为221-2。表3-2给出了各个子网的地址、子网中主机IP地址的范围以及子网的直接广播地址。,满足上述题目要求的方案不止一个，增加子网号的比特数，减少主机号的比
24、特数可以得到其他方案。,例：假设已经得到一个B类网络地址。要求把整个网络划分成18个不同的子网，该网络的最大的段要求1800个可供主机寻址的地址。想要提供18个子网，必须占用主机地址的5比特。除去子网号为全“0”和全“1”的子网外，5比特可以提供30个可用的子网（25-2=30）。这样，子网掩码为：255.255.248.0。每个子网可以容纳的主机数为211-2=2046，可以满足要求。表3-3给出了各个子网的地址、子网中主机IP地址的范围以及子网的直接广播地址。,A类网络的默认掩码（Default mask）：B类网络的默认掩码：C类网络的默认掩码：。引入子网概念后，由于路由器对广播的隔离作
25、用，受限广播数据被限制在子网中。针对某一子网的直接广播可以表示为：，=,-1针对某一网络内所有子网的直接广播可以表示为：，=,-1,-1,在上面所讨论的子网划分中，一个网络的各个子网的地址空间是一样大，各个子网的掩码也是一样的。但为了提高地址空间的利用率，需要将子网进行进一步的划分，从主机号中再拿出一些比特来划分子网，这就使得在一个网络中有多个不同规模的子网，每个子网可能有不同的子网掩码，这便是可变长子网掩码VLSM（Variable-Length Subnet Mask）。可变长子网掩码要求路由器支持子网掩码和路由信息的同时发布。当系统中的所有路由协议都支持子网掩码和路由信息的同时发布时，不
26、仅可以使用可变长子网掩码，全“0”的子网号和全“1”的子网号也可以使用。,采用可变长子网掩码划分子网的一个例子如表3-4所示,返回,3.7 超网,由于A类网络和B类网络较少，而C类网络较多，对于拥有较多计算机的单位往往可以获得多个连续的C类网络地址块，而不是A类或B类网络地址块。利用超网技术，可以将这些C类网络地址块合并为一个大的地址块。理论上，也可以将多个B类地址块合并为一个更大的地址块。超网技术使用与子网技术正好相反的方法，如图3-11所示，构造超网时，从网络号中拿出一些比特和主机号拼接在一起形成新的主机号。,超网通过超网掩码来指定超网号和主机号的分界点。超网掩码中对应于超网号的所有比特都
27、被设为1，而对应于主机号的所有比特都被设为0。与子网划分不同的是，子网划分是通过增加掩码中“1”的位数来实现的，而超网划分是通过减少掩码中“1”的位数来实现的。获得超网地址的方法也是将超网掩码和IP地址进行按位“与”运算。构造超网时，注意以下3点：（1）构造超网的地址块必须连续。（2）待合并的地址块的数量必须是2m（m=1，2，）。（3）被合并的C类网络的第一个地址块的地址中的第三字节的值必须是待合并的地址块的整数倍。,例，将下列8个C类地址块合并为一个超网。192.168.168.0192.168.169.0 192.168.172.0192.168.173.0 构造超网时，从网络号的最低位
28、起拿出3比特来合并这8个C类地址块。此时，超网掩码为：11111111 11111111 11111000 00000000，即。通过验算可以发现，上述地址块中的任何IP地址与超网掩码运算的结果都是，也就是说这些地址块中的所有主机都认为他们位于同一个网络：。,所构造的超网的示意图如图3-12所示。超网技术将多个网络地址合并成单个网络地址，可以减小路由表。,返回,3.8 无类地址,通过前面对子网和超网的介绍，我们看到利用掩码中“1”的位数的增加或减少可以方便地控制网络的规模。在实际应用中许多单位都只需要很少的IP地址，为了方便IP地址的分配和提高IP地址的利用率，1996年因特网组织机构发布了无
29、类别域间路由CIDR（Classless Interdomain Routing）。CIDR去掉了A类地址、B类地址和C类地址的概念，采用了无类地址的概念，不再由地址的前几个比特来预先定义网络类别。每一个地址仅仅包含网络号部分和主机号部分。整个IP地址空间被分割为一些不同大小的块。每一块对应一个物理网络。,对每个无类地址块的要求：地址块由2m个连续的IP地址构成地址块的起始地址必须是能够被2m整除的地址注意：由于IP地址一定是28的整数倍，一定是216的整数倍，一定是224的整数倍，因此我们在考察起始地址是否合法时，可以简化计算过程。当地址块中的地址数小于28时(m8)，只需要考察起始地址的最
30、后一个字节是否可以被2m整除当地址块中的地址数小于216时(m16)，只需要考察起始地址的最后两个字节是否可以被2m整除当地址块中的地址数小于224时(m24)，只需要考察起始地址的后三个字节是否可以被2m整除即可。,无类地址也是利用掩码来划分网络号和主机号的界线。只要给出了起始地址和掩码，就可以确定整个地址块。例如，起始地址为，掩码为255.255.255.248的地址块所对应的地址范围是。同样，该地址范围的第一个地址作为网络地址，最后一个地址作为直接广播地址。掩码的点分十进制数表示较复杂，在无类地址中常采用的一种表示法是斜线表示法（Slash Notation）。斜线表示法将地址和掩码一起
31、表示出来，其格式为：。斜线前面是IP地址，斜线后面是前缀长度。,斜线表示法又称为CIDR表示法。斜线表示法中的前缀长度与掩码是一一对应的，前缀长度与掩码的对应关系如表3-5所示。,本章要点,一个物理网络中的每个结点都至少拥有一个机器可识别的物理地址。物理地址又称为硬件地址、MAC地址或第二层地址。因特网在IP层（网络层）用IP地址实现了地址的统一。IP地址体现了因特网的层次化结构。32比特的IPv4地址由网络号和主机号构成，网络号的位数决定网络的数量，主机号的位数决定网络的规模。IP地址的本质是标识设备的网络连接。,4个字节的IP地址通常用点分十进制数表示，根据IP地址的第一个字节的值可以知道
32、IP地址的类别。因特网上的每个网络都有一个IP地址，其主机号部分为“0”。直接广播是向某个网络中所有的主机发送信息。受限广播是向本网络内的所有主机发送信息。环回地址是用于网络软件测试以及本机进程之间通信的特殊地址。,习题:,3-1 直接广播和受限广播有何不同？3-2 使用私有网络地址有什么好处？3-3 现有一个C类网络地址块，需要支持至少7个子网，每个子网最多9台主机。请进行子网规划，给出各子网的地址、可以分配给主机的地址范围和子网广播地址。3-4 子网号为10比特的A类地址与子网号为2比特的B类地址的子网掩码有何不同？3-5 若IP地址为，子网掩码为，其子网地址是什么？3-6 将以开始的16个C类地址块构造一个超网，请给出该超网的超网地址和超网掩码。3-7 若一个超网的地址是，超网掩码是，那么下列IP地址中那些地址属于该超网？,3-8 在下列地址块组中，哪个组可以构成超网？其超网掩码是什么？3-9 以斜线表示法（CIDR表示法）表示下列IP地址和掩码。a.IP地址：，掩码：b.IP地址：，掩码：c.IP地址：，掩码：的网络地址是什么？3-11 查阅文档RFC 1219和RFC 1519。,返回,
