不管是学习网络还是上网,IP地址都是出现频率非常高的词。Windows系统中设置IP地址的界面如图1所示,图中出现了IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器这几个需要设置的地方,只有正确设置,网络才能通,那这些名词都是什么意思呢?学习IP地址的相关知识时还会遇到网络地址、广播地址、子网等概念,这些又是什么意思呢?
要解答这些问题,先看一个日常生活中的例子。如图2所示,住在北大街的住户要能互相找到对方,必须各自都要有个门牌号,这个门牌号就是各家的地址,门牌号的表示方法为:北大街+XX号。假如1号住户要找6号住户,过程是这样的,1号在大街上喊了一声:"谁是6号,请回答。",这时北大街的住户都听到了,但只有6号作了回答,这个喊的过程叫"广播",北大街的所有用户就是他的广播范围,假如北大街共有20个用户,那广播地址就是:北大街 21号。也就是说,北大街的任何一个用户喊一声能让"广播地址-1"个用户听到。
从这个例中可以抽出下面几个词:
街道地址:北大街,如果给该大街一个地址则用第一个住户的地址-1,此例为:北大街0号
住户的号:如1号、2号等。
住户的地址:街道地址+XX号,如北大街 1号、北大街 2号等
广播地址:最后一个住户的地址+1,此例为:北大街21号
Internet网络中,每个上网的计算机都有一个像上述例子的地址,这个地址就是IP地址,是分配给网络设备的门牌号,为了网络中的计算机能够互相访问,IP地址=网络地址+主机地址,图1中的IP地址是192.168.100.1,这个地址中包含了很多含义。如下所示:
网络地址(相当于街道地址): 192.168.100.0
主机地址(相当于各户的门号): 0.0.0.1
IP地址(相当于住户地址):网络地址+主机地址=192.168.100.1
广播地址: 192.168.100.255
这些地址是如何计算出来的呢?为什么计算这些地址呢?要想知道如何,先要明白一个道理,学习网络的目的就是如何让网络中的计算机相互通讯,也就是说要围绕着"通"这个字来学习和理解网络中的概念,而不是只为背几个名词。
注:192.168.100.1是私有地址,不能直接在Internet网络中应用,上Internet要转为公有地址,详细说明见后文。
一、为什么要计算网络地址
一句话就是让网络中的计算机能够相互通讯。先看看最简单的网络,图3中是用网线(交叉线)直接将两台计算机连起来。下面是几种IP地址设置,看看在不同设置下网络是通还是不通。
1、设置1号机的IP地址为192.168.0.1子网掩码为255.255.255.0;2号机的IP地址为192.168.0.200子网掩码为255.255.255.0,这样它们就能正常通讯。
2、如果1号机地址不变,将2号机的IP地址改为192.168.1.200子网掩码还是为255.255.255.0,那这两台就无法通讯。
3、设置1号机的IP地址为192.168.0.1子网掩码为255.255.255.192,2号机的IP地址为192.168.0.200子网掩码为255.255.255.192,注意和第1种情况的区别在于子网掩码,1为255.255.255.0本例是255.255.255.192,这两台计算机就不能正常通讯。
第1种情况能通是因为这两台计算机处在同一网络192.168.0.0,所以能通,而2、3种情况下两台计算机处在不同的网络,所以不通。
这里先给个结论:用网线直接连接或通过HUB或普通交换机间连接的计算机之间要能够相互通,计算机必须要在同一网络,也就是说它们的网络地址必须相同,而且主机地址必须不一样。如果不在一个网络就无法通。这就像我们上面举的例子,同是北大街的住户由于街道名称都是北大街,且各自的门牌号不同,所以能够相互找到对方。
计算网络地址就是判断网络中的计算机是否在同一网络,在就能通,不在就不能通。注意,这里说的是否在同一网络指的是IP地址而不是物理连接。那么如何计算呢?
二、如何计算网络地址
我们日常生活中的地址如:北大街1号,从字面上就能看出街道地址是北大街,而我们从IP地址中却难以看出网络地址,要计算网络地址,必须借助我们上边提到过的子网掩码。
计算过程是这样的,将IP地址和子网掩码都换算成二进制,然后进行与运算,结果就是网络地址。与运算如下所示,上下对齐,1位1位的算,1与1 = 1 ,其余组合都为0
例如:计算IP地址为:202.99.160.50子网掩码是255.255.255.0的网络地址步骤如下:
1)将IP地址和子网掩码分别换算成二进制
202.99.160.50 换算成二进制为11001010·01100011·10100000·00110010
255.255.255.0 换算成二进制为11111111·11111111·11111111·00000000
2)将二者进行与运算
3)将运算结果换算成十进制,这就是网络地址。
11001010·01100011·10100000·00000000换算成十进制就是202.99.160.0
现在我们就可以解答上面三种情况的通与不通的问题了。
1、从下面运算结果可看出两计算机的网络地址都为192.168.0.0且IP地址不同,所以可以通。
2、从下面运算结果可以看出1号机的网络地址为192.168.0.0; 2号机的网络地址为192.168.1.0 不在一个网络,所以不通。
3、从下面运算结果可以看出1号机的网络地址为192.168.0.0,2号机的网络地址为192.168.0.192 不在一个网络,所以不通
看到这里大家应该明白为何要计算网络地址和如何计算了,但也许还有很多疑问,如IP地址为什么写成这样,子网掩码到底是怎么回事等等,别急,下面慢慢介绍。
三、IP地址的介绍
1、IP地址的表示方法
IP地址 = 网络号+主机号
如果把整个Internet网作为一个单一的网络,IP地址就是给每个连在Internet网的主机分配一个全世界范围内唯一的标示符,Internet管理委员会定义了A、B、C、D、E五类地址,在每类地址中,还规定了网络编号和主机编号。在 TCP/IP协议中,IP地址是以二进制数字形式出现的,共32bit,1bit就是二进制中的1位,但这种形式非常不适用于人阅读和记忆。因此Internet管理委员会决定采用一种"点分十进制表示法"表示IP地址:面向用户的文档中,由四段构成的32 比特的IP地址被直观地表示为四个以圆点隔开的十进制整数,其中,每一个整数对应一个字节(8个比特为一个字节称为一段)。A、B、C类最常用,下面加以介绍。本文介绍的都是版本4的IP地址,称为IPv4.
从上图可以看出:
A类地址:A类地址的网络标识由第一组8位二进制数表示, A类地址的特点是网络标识的第一位二进制数取值必须为"0"。不难算出,A类地址第一个地址为00000001,最后一个地址是01111111,换算成十进制就是127,其中127留作保留地址,A类地址的第一段范围是:1~126,A类地址允许有27 -2=126个网段(减2是因为0不用,127留作它用),网络中的主机标识占3组8位二进制数,每个网络允许有224-2=16777216台主机(减2是因为全0地址为网络地址,全1为广播地址,这两个地址一般不分配给主机)。通常分配给拥有大量主机的网络。
B类地址:B类地址的网络标识由前两组8位二进制数表示,网络中的主机标识占两组8位二进制数,B类地址的特点是网络标识的前两位二进制数取值必须为"10"。 B类地址第一个地址为10000000,最后一个地址是10111111,换算成十进制B类地址第一段范围就是128~191,B类地址允许有214 =16384个网段,网络中的主机标识占2组8位二进制数,每个网络允许有216-2=65533台主机,适用于结点比较多的网络。
C类地址:C类地址的网络标识由前3组8位二进制数表示,网络中主机标识占1组8位二进制数C类地址的特点是网络标识的前3位二进制数取值必须为"110"。C类地址第一个地址为11000000,最后一个地址是11011111,换算成十进制C类地址第一段范围就是192~223,C类地址允许有221 =2097152个网段,网络中的主机标识占1组8位二进制数,每个网络允许有28-2= 254台主机,适用于结点比较少的网络。
有些人对范围是2x不太理解,举个简单的例子加以说明。如C类网,每个网络允许有28-2= 254台主机是这样来的。因为C类网的主机位是8位,变化如下:
00000000
00000001
00000010
00000011
……
11111110
11111111
除去00000000和11111111不用外,从00000001到11111110共有254个变化,也就是28-2个。下图是IP地址的使用范围。
2、几个特殊的IP地址
1)私有地址
上面提到IP地址在全世界范围内唯一,看到这句话你可能有这样的疑问,像192.168.0.1这样的地址在许多地方都能看到,并不唯一,这是为何?Internet管理委员会规定如下地址段为私有地址,私有地址可以自己组网时用,但不能在Internet网上用,Internet网没有这些地址的路由,有这些地址的计算机要上网必须转换成为合法的IP地址,也称为公网地址,这就像有多到的世界公园,每个公园内都可命名相同的大街,如香榭丽舍大街,但对外我们只能看到公园的地址和真正的香榭丽舍大街。下面是A、B、C类网络中的私有地址段。你自己组网时就可以用这些地址了。
10.0.0.0~10.255.255.255
172.16.0.0~172.131.255.255
192.168.0.0~192.168.255.255
2)回送地址
A类网络地址127是一个保留地址,用于网络软件测试以及本地机进程间通信,叫做回送地址(loopbackaddress)。无论什么程序,一旦使用回送地址发送数据,协议软件立即返回之,不进行任何网络传输。含网络号127的分组不能出现在任何网络上。
小技巧:
Ping 127.0.0.1,如果反馈信息失败,说明IP协议栈有错,必须重新安装TCP/IP协议。如果成功,ping本机IP地址,如果反馈信息失败,说明你的网卡不能和IP协议栈进行通信。
如果网卡没接网线,用本机的一些服务如Sql Server、IIS等就可以用127.0.0.1这个地址。
3)广播地址
TCP/IP规定,主机号全为"1"的网络地址用于广播之用,叫做广播地址。所谓广播,指同时向同一子网所有主机发送报文。
4)网络地址
TCP/IP协议规定,各位全为"0"的网络号被解释成"本"网络。由上可以看出:一、含网络号127的分组不能出现在任何网络上;二、主机和网关不能为该地址广播任何寻径信息。由以上规定可以看出,主机号全"0"全"1"的地址在TCP/IP协议中有特殊含义,一般不能用作一台主机的有效地址。
3、子网掩码
从上面的例子可以看出,子网掩码的作用就是和IP地址与运算后得出网络地址,子网掩码也是32bit,并且是一串1后跟随一串0组成,其中1表示在IP地址中的网络号对应的位数,而0表示在IP地址中主机对应的位数。
1)标准子网掩码
A类网络(1 - 126) 缺省子网掩码:255·0·0·0
255·0·0·0 换算成二进制为 11111111·00000000·00000000·00000000
可以清楚地看出前8位是网络地址,后24位是主机地址,也就是说,如果用的是标准子网掩码,看第一段地址即可看出是不是同一网络的。如21.0.0.0.1和21.240.230.1,第一段为21属于A类,如果用的是默认的子网掩码,那这两个地址就是一个网段的。
B类网络(128 - 191) 缺省子网掩码:255·255·0·0
C类网络(192 - 223) 缺省子网掩码:255·255·255·0
B类、C类分析同上。
2) 特殊的子网掩码
标准子网掩码出现的都是255和0的组合,在实际的应用中还有下面的子网掩码
255·128·0·0
255·192·0·0
。。。。。。
255·255·192·0
255·255·240·0
。。。。。。
255·255·255·248
255·255·255·252
这些子网掩码又是什么意思呢?这些子网掩码的出现是为了把一个网络划分成多个网络。
还记得上面的例子吗?如下所示:192·168·0·1和192·168·0·200如果是默认掩码255.255.255.0两个地址就是一个网络的,如果掩码变为255.255.255.192这样各地址就不属于一个网络了。下面将对子网划分作详细介绍。
当子网掩码为255·255·255·0时,通过下式计算网络地址为192.168.0.0
192·168·0·1 11000000·10101000·00000000·00000001
192·168·0·200 11000000·10101000·00000000·11001000
255·255·255·0 11111111·11111111·11111111·00000000
当子网掩码为255·255·255·192时,通过下式计算网络地址为192.168.0.192
192·168·0·1 11000000·10101000·00000000·00000001
192·168·0·200 11000000·10101000·00000000·11001000
255·255·255·192 11111111·11111111·11111111·11000000
四、通过IP地址和子网掩码与运算计算相关地址
知道ip地址和子网掩码后可以算出:
1、 网络地址
2、 广播地址
3、 地址范围
4、 本网有几台主机
例1:下面例子IP地址为192·168·100·5 子网掩码是255·255·255·0。算出网络地址、广播地址、地址范围、主机数。
一)分步骤计算
1) 将IP地址和子网掩码换算为二进制,子网掩码连续全1的是网络地址,后面的是主机地址。 虚线前为网络地址,虚线后为主机地址
2)IP地址和子网掩码进行与运算,结果是网络地址
3) 将上面的网络地址中的网络地址部分不变,主机地址变为全1,结果就是广播地址。
4) 地址范围就是包含在本网段内的所有主机
网络地址加1即为第一个主机地址,广播地址减1即为最后一个主机地址,由此可以看出
地址范围是: 网络地址+1 至 广播地址-1
本例的网络范围是:192·168·100·1 至 192·168·100·254
也就是说下面的地址都是一个网段的。
192·168·100·1、192·168·100·2 。。。 192·168·100·20 。。。 192·168·100·111 。。。 192·168·100·254
5) 主机的数量
主机的数量 = 2二进制的主机位数 - 2
减2是因为主机不包括网络地址和广播地址。本例二进制的主机位数是8位。
主机的数量 = 28 – 2 = 254
二)总体计算
我们把上边的例子合起来计算一下过程如下:
例2:IP地址为128·36·199·3 子网掩码是255·255·240·0。算出网络地址、广播地址、地址范围、主机数。
1) 将IP地址和子网掩码换算为二进制,子网掩码连续全1的是网络地址,后面的是主机地址, 虚线前为网络地址,虚线后为主机地址
2)IP地址和子网掩码进行与运算,结果是网络地址
3)将运算结果中的网络地址不变,主机地址变为1,结果就是广播地址。
4) 地址范围就是含在本网段内的所有主机
网络地址+1即为第一个主机地址,广播地址-1即为最后一个主机地址,由此可以看出
地址范围是: 网络地址+1 至 广播地址-1
本例的网络范围是:128·36·192·1 至 128·36·207·254
5) 主机的数量
主机的数量 = 2二进制位数的主机 - 2
主机的数量 = 212 – 2 = 4094
减2是因为主机不包括网络地址和广播地址。
从上面两个例子可以看出不管子网掩码是标准的还是特殊的,计算网络地址、广播地址、地址数时只要把地址换算成二进制,然后从子网掩码处分清楚连续1以前的是网络地址,后是主机地址进行相应计算即可。
五、划分子网
上面的例子192.168.0.0 子网掩码为255.255.255.0的这个网络中可容纳254台主机,如果想把一个网络分成两个以上的网络该如何分呢?IP地址是由网络地址+主机地址组成的,增加网络部分的长度,减少主机地址的长度就能将一个网络划分成数个网络。具体的解决办法就是增加子网掩码中连续1,这样相应的主机地址就减少了。看个具体的例子就明白了。
192·168·0·0 11000000·10101000·00000000·00000000
255·255·255·0 11111111·11111111·11111111·00000000
子网掩码由255·255·255·0变为255·255·255·192后网络位和主机位变化如下:
192·168·0·0 11000000·10101000·00000000·00 000000
255·255·255·192 11111111·11111111·11111111·11 000000
可看出当子网掩码从网络位从255·255·255·0变为255·255·255·192时网络位由24位变成26位,IP地址前24位是规定的网络位数,是不能改变的,而从主机借来的25、26两位是可以改变的。
11000000·10101000·00000000·00 000000
11000000·10101000·00000000·01 000000
11000000·10101000·00000000·10 000000
11000000·10101000·00000000·11 000000
如上所示:IP地址借来的两位有四种变化00、01、10、11。也就是说将一个网络分成了四个网络。我们称分出来的网络叫子网。
下面我们计算一下每个子网的网络地址、广播地址和地址范围
子网1:
192.168.0.0 11000000·10101000·00000000·00000000
255.255.255.192 11111111·11111111·11111111·11 000000
与运算
网络地址为:192.168.0.0 11000000·10101000·00000000·00 000000
广播地址为:192.168.0.63 11000000·10101000·00000000·00 111111
地址范围是:192.168.0.1 至 192.168.0.62
子网2:
192.168.0.64 11000000·10101000·00000000·01000000
255.255.255.192 11111111·11111111·11111111·11 000000
与运算
网络地址为:192.168.0.64 11000000·10101000·00000000·01 000000
广播地址为:192.168.0.127 11000000·10101000·00000000·01 111111
地址范围是:192.168.0.65 至 192.168.0.126
子网3:
192.168.0.128 11000000·10101000·00000000·10 000000
255.255.255.192 11111111·11111111·11111111·11 000000
与运算
网络地址为:192.168.0.128 11000000·10101000·00000000·10 000000
广播地址为:192.168.0.191 11000000·10101000·00000000·10 111111
地址范围是:192.168.0.129 至 192.168.0.190
子网4:
192.168.0.192 11000000·10101000·00000000·11 000000
255.255.255.192 11111111·11111111·11111111·11 000000
与运算
网络地址为:192.168.0.192 11000000·10101000·00000000·11 000000
广播地址为:192.168.0.255 11000000·10101000·00000000·11 111111
地址范围是:192.168.0.193 至 192.168.0.254
从下表可以清楚看出四个子网的相关数据,这里特别需要指出的是如果所在网络中不允许使用全0和全1的网络,那子网1和4因为分别是全0和全1组合,不能使用,该网络只能分为2、3两个子网。
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