IPv4编址及子网划分

一、IPv4地址概述

IPV4地址的作用：用于标识一个节点的网络地址。

1.1、IPv4报文结构

• 版本：目前的IP协议版本号为4。
• 服务类型：用于IP报文的标记，多用于QoS。
• 生存时间：IP报文所允许通过的路由器的最大数量。
• 协议：指出IP报文携带的数据使用的协议。
• 源IP地址：标识IP数据报的源端设备。
• 目的IP地址：标识IP数据报的目的地址。

• IP地址结构：IPv4地址长度为32位，包括网络位和主机位两部分。
• 网络位是为了标识这个IP地址所属的网段。
• 主机位是为了标识这个IP地址在网段中具体的节点。

• 为了方便书写和表达，我们将IPv4地址分为4段，称为“点分十进制”。
• 每段从0开始到255结束，最小的IP是0.0.0.0，最大的IP是255.255.255.255。

• IP地址结构：
  • IP地址举例：172.16.122.204

1.2、IPv4地址分类

• 早期的网络中，IP地址没有掩码的概念：
  • 为了方便划分网络大小，根据网络大小的不同，按照“有类”的方式将网络划分为A、B、C、D、E五类。
  • A、B、C类IP地址的网络位都是固定的，D、E类IP地址没有网络位与主机位。

1.2.1、A类

• A类IP地址范围：1.0.0.0~126.255.255.255。
• 前8位为网络位，第一位为0，其余的7位可以分配，A类地址共分为27块，每一块网络号不同。

• A类地址网络号全为0和网络位全为1的地址保留。
• 每个A类网络可以分配的主机号的数量为2^24-2=16777214（主机号全为0和全为1的两个地址保留）。

A类地址的使用：

• 第一块地址范围：0.0.0.0~0.255.255.255（网络号=0）；
• 第二块地址范围：1.0.0.0~1.255.255.255（网络号=1）；
• ……
• 最后一块地址范围：127.0.0.0~127.255.255.255（网络号=127）；

1.2.2、B类

• B类IP地址范围：128.0.0.0~191.255.255.255。

• 前16位为网络位，前两位为10，其余的14位可以分配，B类地址共分为214块。
  

• B类网络可以分配的主机号的数量为2^16-2=65534（主机号全为0和全为1的两个地址保留）。

B类地址的使用：

• 第一块地址范围：128.0.0.0~128.0.255.255（网络号=128.0）；
• 第二块地址范围：128.1.0.0~128.1.255.255（网络号=128.1）；
• ……
• 最后一块地址范围：191.255.0.0~191.255.255.255（网络号=127）；

1.2.3、C类

• C类IP地址：192.0.0.0~223.255.255.255。

• 前24位为网络位，前三位为110，其余的21位可以分配，C类地址共分为221块；
  

• C类网络可以分配的主机号的数量为2^8-2=254（主机号全为0和全为1的两个地址保留）；

C类地址的使用：

• 第一块地址范围：192.0.0.0~192.0.0.255（网络号=192.0.0）。
• 第二块地址范围：192.0.1.0~192.0.1.255（网络号=192.0.1）。
• ……
• 最后一块地址范围：223.255.255.0~223.255.255.255（网络号=223.255.255）。

1.2.4、D类

• D类IP地址：224.0.0.0~239.255.255.255。
• D类地址不标识网络，用于组播地址。

D类地址的使用：

• 224.0.0.1 所有主机的地址
• 224.0.0.2 所有组播路由器的地址
• 224.0.0.5 所有OSPF路由器
• 224.0.0.6 OSPF DR/BDR
• 224.0.0.9 RIPv2路由器
• 224.0.0.18 VRRP协议报文地址

1.2.5、E类

• E类IP地址：240.0.0.0~247.255.255.255。
• E类地址暂时保留，用于科研实验。

1.3、私有IP地址

• 为了节省IP地址，将IP地址分为：
  • 公有地址
  • 私有地址
• 私有地址：
  • A类：10.0.0.0至10.255.255.255
  • B类：172.16.0.0至172.31.255.255
  • C类：192.168.0.0至192.168.255.255
• 私有地址只能应用于企业内网。
  • 在企业边界通过NAT把数据的私有地址转换为公有地址。

1.4、特殊地址

• 本地回环地址（测试）：
  • 127.X.X.X
• 网络号：主机位全为0
  • 例：192.168.1.0/24
• 子网广播地址：主机位全为1
  • 例：192.168.1.255/24
• 本地广播地址：
  • 255.255.255.255
• 未知地址：网络位和主机位全为0
  • 0.0.0.0

二、子网划分

2.1、子网掩码

• 子网掩码用来区分IP地址中的网络位和主机位。
• 子网掩码由连续的1和0组成：1表示对应IP地址的网络位，0表示对应IP地址的主机位。
• IP地址和子网掩码本质均是由32位二进制数字组成。
• 为了书写方便，使用“/数字”法表示子网掩码。

2.2、VLSM 可变长的子网掩码

• VLSM：Variable Length Subnetwork Mask ，可变长的子网掩码
  • 使用多个不同的子网掩码把网络划分为不同大小的子网
  • 使IP地址空间得到更有效的利用

子网划分示例：172.16.0.0 255.255.0.0（172.16.0.0/16）

• 172.16.0.0/24
• 172.16.1.0/24
• ……
• 172.16.254.0/24
  • 172.16.254.0/30
  • 172.16.254.4/30
  • ……
  • 172.16.254.252/30
• 172.16.255.0/24
  • 172.16.255.1/32
  • 172.16.255.2/32
  • ……
  • 172.16.255.255/32

2.3、子网划分

• 改变子网掩码，把一个大的网络划分为若干个小的网络
• 提高IP地址的使用率
  • 子网的个数：2^（x 代表子网的位数）
  • 每个子网内有效主机个数：2^y-2（y 代表主机位数）

2.4、子网划分示例

• 一个C类网段：192.168.10.0/24
• 默认掩码 /24（255.255.255.0）
• 总共IP ，2的8次方=256个
• 掩码就像一把“刀”，将网段进行“切割”

2.4.1、子网划分案例 —— A类网络

• 子网划分举例： 10.1.1.2 255.255.255.252（/30）
  

• 从子网掩码中可以看出，IP地址的前30位为网络位，后两位为主机位。

• 10.1.1.2 的二进制表示如下：

• 最后两位有4种组合，因此这个网段中有4个IP地址，10.1.1.0-10.1.1.3，由于每个网络的第一个和最后一个IP地址不可用，因此实际可用的IP地址为10.1.1.1和10.1.1.2 。

2.4.2、子网划分案例 —— B类网络

• 子网划分举例：172.16.0.0 255.255.0.0（/16）
  • 将一个B类地址划分为多个 C类地址
  • 子网划分前可用IP地址数为2^16-2=65534个，都在同一个网段
  • 子网划分后172.16.0.0被划分为2^8个C类地址，每个子类地址可用IP地址数为254个
    

2.4.3、子网划分案例 —— C类网络

• 子网划分举例：192.168.10.213 255.255.255.192（/26）
  • 192.168.10.213是一个C类地址，默认掩码为/24
  • 子网数：26-24 = 2，因此子网数是2^2即4个。
  • 每个网络的有效主机数：由于主机位是32-26=6，因此有效主机数是2^6-2=64-2=62个。

2.5、CIDR 子网聚合

• CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类域间路由）
  • 将多个“有类”的子网合并成一个，以减少路由表中的路由条目。
  • 不受制于A B C类地址空间，消除了自然分类地址和子网划分的界限。

2.6、CIDR 子网聚合案例

• 路由聚合将多条路由聚合为一条，大大减少了路由器中路由的条目。

2.7、路由聚合的计算方法

• 第一步：将地址转换为二进制格式，并将它们对齐。
• 第二步：找到所有地址中都相同的最后一位。在它后面划一条竖线。
• 第三步：竖线左边的位数为子网掩码位数。
• 第四步：竖线右边全设为零，竖线左边保持不变，即可形成路由汇总网络地址。

三、园区网络IP地址规划

3.1、IP地址规划原则

• IP地址规划的好坏，将会直接给网络带来影响：
  • 网络路由协议算法的效率
  • 网络的性能
  • 网络的扩展
  • 网络的管理
• IP地址规划主要遵从四个原则：
  • 唯一性：一个IP网络中不能有两个主机使用相同的IP地址
  • 可扩展性：在IP地址分配时，要有一定的余量，以满足网络扩展时的需要
  • 连续性：分配的连续的IP地址要有利于管理和地址汇总，连续的IP地址易于汇总，减小路由表，提高路由效率
  • 实意性：分配IP地址时尽量使所分配的IP地址具有一定实际意义
  • 例如：使人一看到该IP地址就可以知道此IP地址分配给了哪个部门或哪个地区

3.2、节约IP地址的技巧

• 在分配IP地址时，如需要节约IP地址，注意以下几点：
  • 配置Loopback地址时，使用的子网掩码为32
  • 配置互联地址时，使用的子网掩码为/30
  • 对各业务网关进行统一设定
    • 比如：将所有的网关统一设置成X.X.X.254
  • 在完成IP地址规划之后，公司既可以配置静态IP地址，也可以使用DHCP服务器动态分配IP地址