计算机网络（四）—— 网络层（3）：IPv4地址

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3. IPv4地址

3.1 IPv4地址概述

  ■ 在TCP/IP体系中，IP地址是一个最基本的概念，我们必须把它弄清楚。
  ■ IPv4地址就是给因特网(Internet)上的每一台主机(或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32比特的标识符。
  ■ IP地址由因特网名字和数字分配机构ICANN(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配。
    $\diamond$ 我国用户可向亚太网络信息中心APNIC(Asia Pacitic Network information Center)申请IP地址，需要缴费。
    $\diamond$ 2011年2月3日，互联网号码分配管理局IANA(由ICANN行使职能）宣布，IPv4地址已经分配完毕。
    $\diamond$ 我国在2014至2015年也逐步停止了向新用户和应用分配IPv4地址。同时全面开展商用部署IPv6。
  ■ lPv4地址的编址方法经历了如下三个历史阶段：

  ■ 32比特的IPv4地址不方便阅读、记录以及输入等，因此IPv4地址采用点分十进制表示方法以方便用户使用。
   例：

   练习：

   8位无符号二进制整数转十进制：

   十进制整数转8位无符号二进制数： 除2取余法、凑值法。

3.1.1 课后练习

  1. 构成IPv4地址的比特数量和构成以太网MAC地址的比特数量分别是( B )
    A. 16，24   B. 32，48   C. 64，96  D. 128，192
   分析： 构成IPv4地址的比特数量为32，构成以太网MAC地址的比特数量为48。

  2. IPv4编址方法的三个历史阶段不包含( C )
    A. 分类编址   B. 划分子网   C. 路由选择  D. 无分类编址
   分析： IPv4编址方法的三个历史阶段为分类编址、划分子网、无分类编址。

  3. 某个IPv4地址的二进制形式为11000000111111100000111111110000，则点分十进制形式为( A )
    A. 192.254.15.240   B. 240.15.254.192   C. 96.128.51.120  D. 120.51.128.96
   分析：

3.2 分类编址的IPv4地址

  分类编址的IPv4地址分为A、B、C、D、E五类，如下图所示。

  注意事项： 1. 只有A类、B类和C类地址可分配给网络中的主机或路由器的各接口；
        2. 主机号为“全0”的地址是网络地址，不能分配给主机或路由器的各接口；
        3. 主机号为“全1"”的地址是广播地址，不能分配给主机或路由器的各接口。
 

• A类地址
  

 

• B类地址
  
   
• C类地址
  
    例： 下列IP地址中，只能作为IP分组的源IP地址但不能作为目的IP地址的是( A )
        A. 0.0.0.0  B. 127.0.0.1  C. 20.10.10.3  D. 255.255.255.255
       分析： 地址0.0.0.0是一个特殊的IPv4地址，只能作为源地址使用，表示“在本网络上的本主机”。封装有DHCP Discovery报文的IP分组的源地址使用0.0.0.0；
          以127开头且后面三个字节非“全0”或“全1”的IP地址是一类特殊的IPv4地址，既可以作为源地址使用，也可以作为目的地址使用，用于本地软件环回测试，例如常用的环回测试地址127.0.0.1；
          地址255.255.255.255是一个特殊的IPv4地址，只能作为目的地址使用，表示“只在本网络上进行广播（各路由器均不转发)”。
          综上所述，选项A正确。
  
    总结：
  

3.2.1 课后练习

  1. 分类编址的IPv4地址共分( C )
    A. 3类  B. 4类  C. 5类   D. 6类
   分析： 分类编址的IPv4地址分为A、B、C、D、E五类。

  2. 在IPv4地址的分类编址阶段，A类网的数量为( B )
    A. 2${}^7$-1  B. 2${}^7$-2  C. 2${}^7$+1   D. 2${}^7$+2
   分析： 在IPv4地址的分类编址阶段，A类网的数量为2${}^{(8-1)}$-2 = 126。

  3. 在IPv4地址的分类编址阶段，每个B类网包含的IP地址数量为( C )
    A. 2${}^8$  B. 2${}^8$-2  C. 2${}^{16}$   D. 2${}^{16}$-2
   分析： 在IPv4地址的分类编址阶段，每个B类网包含的IP地址数量为2${}^{16}$ = 65536。

  4. 在IPv4地址的分类编址阶段，每个C类网可分配给主机或路由器接口的IP地址数量为( B )
    A. 2${}^8$  B. 2${}^8$-2  C. 2${}^{16}$   D. 2${}^{16}$-2
   分析： 在IPv4地址的分类编址阶段，每个C类网可分配给主机或路由器接口的IP地址数量为 2${}^8$-2 = 254。

  5. 以下属于C类IPv4地址，但又不能分配给主机的是( B )
    A. 196.2.3.8  B. 192.0.0.255  C. 191.255.255.252   D. 126.255.255.255
   分析： 以下属于C类IPv4地址，但又不能分配给主机的是192.0.0.255，因为最后一个8位组是全1，代表这个IP是广播，不能分给主机使用。

3.3 划分子网的IPv4地址

  ■ 为新增网络申请新的网络号会带来以下弊端：
   $\diamond$ 需要等待时间和花费更多的费用
   $\diamond$会增加其他路由器中路由表记录的数量
   $\diamond$浪费原有网络中剩余的大量P地址

  ■ 32比特的子网掩码可以表明分类lIP地址的主机号部分被借用了几个比特作为子网号
   $\diamond$ 子网掩码使用连续的比特1来对应网络号和子网号
   $\diamond$ 子网掩码使用连续的比特0来对应主机号
   $\diamond$ 将划分子网的IPv4地址与其相应的子网掩码进行逻辑与运算就可得到IPv4地址所在子网的网络地址

  ■ 给定一个分类的IP地址和其相应的子网掩码，就可知道子网划分的细节：
   $\diamond$ 划分出的子网数量
   $\diamond$ 每个子网可分配的IP地址数量
   $\diamond$ 每个子网的网络地址和广播地址
   $\diamond$ 每个子网可分配的最小和最大地址

  例1： 已知某个网络的地址为218.75.230.0，使用子网掩码255.255.255.128对其进行子网划分，请给出划分细节。
     分析：

  例2： 已知某个网络的地址为218.75.230.0，使用子网掩码255.255.255.192对其进行子网划分，请给出划分细节。
     分析：

  例3： 某主机的IP地址为180.80.77.55，子网掩码为255.255.252.0，如该主机向其所在子网发送广播分组，则目的地址可以是( D )
      A. 180.80.76.0  B. 180.80.76.255  C. 180.80.77.255  D. 180.80.79.255
     分析：

  ■ 默认的子网掩码是指在未划分子网的情况下使用的子网掩码。

3.3.1 课后练习

  1. 已知某个网络的地址为192.168.0.0，使用子网掩码255.255.255.128对其进行子网划分，可划分出的子网数量为( A )
    A. 2  B. 4  C. 8  D. 16
   分析： 子网掩码255.255.255.128中的128二进制表示为1000 0000，一个比特1表示从主机号中借用一个比特作为子网号，划分出的子网数量为 2${}^1$ = 2。

  2. 已知某个网络地址为10.0.0.0，使用子网掩码255.255.192.0对其进行子网划分，则每个子网包含的地址数量为( C )
    A. 2${}^{10}$  B. 2${}^{10}$-2  C. 2${}^{14}$  D. 2${}^{14}$-2
   分析： 子网掩码255.255.192.0中的192二进制表示为1100 0000，14个比特0表示每个子网包含的地址数量为 2${}^{14}$。

  3. 已知某个网络地址为172.16.0.0，使用子网掩码255.255.224.0对其进行子网划分，则所划分出的最后一个子网的广播地址是( B )
    A. 172.16.0.255   B. 172.16.255.255   C. 172.0.255.255    D. 172.255.255.255
   分析： 子网掩码255.255.224.0中的224二进制表示为1110 0000，网络地址为172.16.0.0所划分出的最后一个子网的广播地址是172.16.255.255。

  4. 已知某个网络地址为192.168.1.0，使用子网掩码255.255.255.128对其进行子网划分，则所划分出的第一个子网的广播地址是( A )
    A. 192.168.1.127  B. 192.168.1.128  C. 192.168.1.254  D. 192.168.1.255
   分析： 子网掩码255.255.255.128中的128二进制表示为1000 0000，所划分出的第一个子网的广播地址是192.168.1.0111 1111，即192.168.1.127。

  5. 某主机的IP地址是166.66.66.66，子网掩码为255.255.192.0，若该主机向其所在子网发送广播分组，则目的地址可以是( D )
    A. 166.66.66.255   B. 166.66.255.255   C. 166.255.255.255   D. 166.66.127.255
   分析： 由子网掩码255.255.192.0（11111111.11111111.11000000.00000000）可知网络为连续的1，那么主机位为连续的0，也就是14位，然后题目要发送广播分组，所以求的是广播地址，广播地址的主机位也是全为1，所以主机166.66.66.66所在的广播地址就是 166.66.01(111111.11111111），括号里面的是主机号，主机号全为1就是广播地址，即166.66.127.255。

3.4 无分类编址的IPv4地址

  ■ 划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难，但是数量巨大的C类网因为其地址空间太小并没有得到充分使用，而因特网的IP地址仍在加速消耗，整个IPv4地址空间面临全部耗尽的威胁。
  ■ 为此，因特网工程任务组IETF又提出了采用无分类编址的方法来解决IP地址紧张的问题，同时还专门成立IPv6工作组负责研究新版本lP以彻底解决IP地址耗尽问题。
  ■ 1993年，IETF发布了无分类域间路由选择CIDR(Classless Inter-Domain Routing)的RFC文档：RFC 1517~1519和1520。
   $\diamond$ CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址，以及划分子网的概念；
   $\diamond$ CIDR可以更加有效地分配IPv4的地址空间，并且可以在新的IPv6使用之前允许因特网的规模继续增长。
  ■ CIDR使用“斜线记法”，或称CIDR记法。即在IPv4地址后面加上斜线“/”，在斜线后面写上网络前缀所占的比特数量。

  ■ CIDR实际上是将网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。
  ■ 我们只要知道CIDR地址块中的任何一个地址，就可以知道该地址块的全部细节：
   $\diamond$ 地址块的最小地址
   $\diamond$ 地址块的最大地址
   $\diamond$ 地址块中的地址数量
   $\diamond$ 地址块聚合某类网络(A类、B类或C类)的数量
   $\diamond$ 地址掩码（也可继续成为子网掩码）

  例1： 请给出CIDR地址块128.14.35.7/20的全部细节（最小地址，最大地址，地址数量，聚合C类网数量，地址掩码)。
     分析：

  ■ 路由聚合（构造超网）的方法是找共同前缀；
  ■ 网络前缀越长，地址块越小，路由越具体；
  ■ 若路由器查表转发分组时发现有多条路由可选，则选择网络前缀最长的那条，这称为最长前缀匹配，因为这样的路由更具体。

  例1： 在子网192.168.4.0/30中，能接收目的地址为192.168.4.3的IP分组的最大主机数是( C )
      A. 0 B. 1 C. 2 D. 4
     分析：

  题目中给定IP分组的目的地址为192.168.4.3，是该网络的广播地址，因此该网络上的所有主机都能收到。由于该网络只有两个可分配的IP地址，因此网络中的主机数量最大为2，那么可以收到该IP分组的最大主机数就是2。

  例2： 某路由表中有转发接口相同的4条路由表项，其目的网络地址分别为35.230.32.0/21、35.230.40.0/21、35.230.48.0/21和35.230.56.0/21，将该4条路由聚合后的目的网络地址为( C )
      A. 35.230.0.0/19  B. 35.230.0.0/20  C. 35.230.32.0/19  D. 35.230.32.0/20
     分析：

3.4.1 课后练习

  1. 某个IPv4地址的CIDR表示形式为126.166.66.99/22，则以下描述错误的是( D )
    A. 网络前缀占用22个比特  B. 主机编号占用10个比特  C. 所在地址块包含地址数量2${}^{10}$  D. 126.166.66.99是所在地址块中的第一个地址
   分析： 某个IPv4地址的CIDR表示形式为126.166.66.99/22，则网络前缀占用22个比特，主机编号占用10个比特，所在地址块包含地址数量2${}^{10}$。

  2. CIDR地址块10.0.0.0/10中的最后一个地址是( A )
    A. 10.63.255.255  B. 10.255.255.255  C. 10.0.255.255  D. 10.0.0.255
   分析： CIDR地址块10.0.0.0/10中的最后一个地址是10.63.255.255。

  3. 某个网络所分配到的地址块为172.16.0.0/29，能接收目的地址为172.16.0.7的IP分组的最大主机数是( C )
    A. 4  B. 5  C. 6  D. 7
   分析： 某个网络所分配到的地址块为172.16.0.0/29，能接收目的地址为172.16.0.7的IP分组的最大主机数是6。

  4. 某路由表中有转发接口相同的2条路由表项，其目的网络地址分别为202.118.133.0/24和202.118.130.0/24，将这2条路由聚合后的目的网络地址为( A )
    A. 202.118.128.0/21  B. 202.118.128.0/22  C. 202.118.130.0/22  D. 202.118.132.0/20
   分析： 某路由表中有转发接口相同的2条路由表项，其目的网络地址分别为202.118.133.0/24和202.118.130.0/24，将这2条路由聚合后的目的网络地址为202.118.128.0/21。

  5. 地址172.16.2.160属于下面哪一个地址块( C )
    A. 172.16.2.64/26  B. 172.16.2.96/26  C. 172.16.2.128/26  D. 172.16.2.192/26
   分析： 地址172.16.2.160属于172.16.2.128/26地址块。

3.5 IPv4地址的应用规划

• 定长的子网掩码FLSM(Fixed Length Subnet Mask)
   ■ 使用同一个子网掩码来划分子网
   ■ 每个子网所分配的IP地址数量相同，造成IP地址的浪费
• 变长的子网掩码VLSM(Variable Length Subnet)
   ■ 使用不同的子网掩码来划分子网
   ■ 每个子网所分配的IP地址数量可以不同，尽可能减少对IP地址的浪费

3.5.1 定长的子网掩码FLSM

  例1： 假设申请到的C类网络为218.75.230.0，请使用定长的子网掩码给下图所示的小型互联网中的各设备分配IP地址。

  例2： 假设申请到的C类网络为218.75.230.0，请使用定长的子网掩码给下图所示的小型互联网中的各设备分配IP地址。
  应用需求：将C类网络218.75.230.0划分成5个子网，每个子网上可分配的IP地址数量不得少于各自的需求。

3.5.2 变长的子网掩码VLSM

  例： 假设申请到的地址块为218.75.230.0/24，请使用变长的子网掩码给下图所示的小型互联网中的各设备分配IP地址。

3.5.3 总结

3.5.4 课后练习

  1. 在一条点对点的链路上，为了减少地址的浪费，地址掩码应该指定为( A )
    A. 255.255.255.252  B. 255.255.255.248  C. 255.255.255.240  D. 255.255.255.196
   分析： 255.255.255.252减去一个广播地址一个网络地址，就剩2个IP，两个IP分在链路两端的设备上。252到255，可以有两台主机，用其他的就浪费了，比如240到255，可以有14台主机！

  2. 若将某个C类网络划分出5个子网，每个子网最多20台主机，则使用的子网掩码是( B )
    A. 255.255.255.192  B. 255.255.255.224  C. 255.255.255.240  D. 255.255.255.248
   分析： 从网络划分，需要划分5个子网，就是2^3=8>5，因此需要借3位，默认是255.255.255.0，借了三位，也就是最后那个0（00000000）变成了（11100000），所以就是224了，故答案为255.255.255.224。

  3. 下面有关FLSM与VLSM的说法中，错误的是( D )
    A. FLSM使用同一个子网掩码来划分子网
    B. VLSM可以使用不同的子网掩码来划分子网
    C. 使用FLSM划分的子网，每个子网所分配的IP地址数量相同
    D. 使用VLSM划分子网，只能划分出偶数个子网
   分析： 下面有关FLSM与VLSM的说法中，错误的是使用VLSM划分子网，只能划分出偶数个子网。