【计算机网络笔记二】网络层

IP 地址分类和子网掩码

IPv4 地址—简称 IP 地址，IP 地址由 32 位比特组成

IP地址现在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，IP地址的作用：用于网络寻址，也就是根据IP地址可以找到它所属的网络。

如何使用IP进行网络寻址？

IP地址的编址方法共经过了三个历史阶段：

• ① 分类的IP 地址。这是最基本的编址方法，在 1981 年就通过了相应的标准协议

• ② 子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进，其标准 RFC 950 在 1985 年通过

• ③ 构成超网。这是比较新的无分类编址方法。1993 年提出后很快就得到推广应用

分类的 IP 地址

所谓“分类的IP地址”就是将 IP 地址划分为若干个固定类，每一类地址都由两个固定长度的字段组成。

• 网络号（net-id）：它标志主机所连接到的网络。一个网络号在整个因特网范围内必须是唯一的
• 主机号（host-id）：它标志该主机。一个主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的

由此可见，一个 IP 地址在整个因特网范围内是唯一的。

那么 IP 地址分成了哪些固定类呢？

• A类、B类、C类、D类、E类

为什么要进行分类呢？

• 各种网络的差异很大，有的网络拥有很多主机，而有的网络上的主机则很少。把 IP 地址划分为A类、B类和C类是为了更好地满足不同用户的要求

A类、B类和C类分别可以支持多少个网络，每个网络又可以支持多少台主机呢？

A类地址

• A类可以支持的网络数：2^(8-1) = 128

• 每个A类网络可以支持的主机数量：2^24 = 16，777，216，即1600万个左右

但有些网络号是不能分配的，有些主机号也是不能分配的。

A类地址不可分配的网络号：

也就是说最小网络号 0 和 最大网络号 127 是不可分配的，网络号可分配范围是 [1-126]，因此实际可分配的网络数为：2^(8-1) - 2 = 126

A类地址不可分配的主机号：

也就是说 主机号全 0 的网络地址 和 主机号全 1 的广播地址是不可分配的，因此每个网络中实际可以分配的 IP 地址数量为：2^24 - 2 = 16777214

B类地址

C类地址

给出一个IP地址，如何判断它的类别和是否可以分配？

• 首先，根据地址左起第一个十进制的值，可以判断出网络类型：
  
• 然后，根据网络类别，就可以得到地址中的网络号和主机号：
  ① A 类地址网络号为左起第一个字节（前8位，第1个十进制数字），后面三个字节是主机号
  ② B 类地址网络号为左起前两个字节（前16位，前2个十进制数字），后面两个字节是主机号
  ③ C 类地址网络号为左起前三个字节（前24位，前3个十进制数字），后面一个字节是主机号

另外，记住以下三种情况的地址不能分配：

• ① A 类网络号 0 和 127
• ② 主机号全 0，这是网络地址
• ③ 主机号全 1，这是广播地址

IP地址分配实例

• ① 找出下图中有哪几个网络？
  

• ② 根据各网络中主机和路由器接口总数量，来决定给各网络分配哪个类别的IP
  

• ③ 依据所确定的网络类别，为每个网络挑选一个网络号
  
  

路由器接口为什么需要 IP 地址？

• 在不同的网络中，需要路由器转发
• 在网络 N1 中，主机 A 将数据先转发给路由器接口 ①
• 数据在一个网络中传输，需要 MAC 地址

主机 A 又是怎样知道路由器接口 ① 的 MAC 地址的？

• 使用 ARP 协议根据 IP 地址拿到对应的 MAC 地址

ARP 协议只适用于一个网络，ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址和硬件地址（MAC 地址）的映射问题。上图中主机 A 就无法通过 ARP 请求，解析主机 B 的 MAC 地址，路由器是隔离广播域的。

主机 A 其实没必要知道主机 B 的 MAC 地址，可以通过路由器分组转发实现：

子网掩码

• 子网掩码使用连续的比特 1 来对应网络号和子网号

• 子网掩码使用连续的比特 0 来对应主机号
  

默认的子网掩码

默认的子网掩码即未划分子网的情况下使用的子网掩码。

使用子网掩码对 IP 地址进行子网划分

使用子网掩码求 IP 所属的网络地址

这样，如果我们知道了两个网络中的两台主机的 IP 地址和其子网掩码就可以判断这两个主机是否在同一个网络中：

无分类 IPv4 地址

它的正式名字是：无分类域间路由选择，CIDR （Classless Inter-Domain Routing，CIDR的读音是“sider”）。

无分类 IP 地址 ＝ 网络前缀＋主机号

CIDR 的做法是在 IP 地址的后面加上斜线 “／”，然后写上网络前缀所占的位数，例如：

CIDR 地址块

CIDR 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成一个“CIDR 地址块”

例如：

地址掩码 （address mask）

为了更方便地得到一个地址的网络前缀，CIDR 使用 32 位的地址掩码（address mask），地址掩码由一串 1 和一串 0 组成，而 1 的个数就是网络前缀的长度。

例如：

虽然 CIDR 不使用子网了，但由于目前仍有一些网络还使用子网划分和子网掩码，因此 CIDR 使用的地址掩码也可继续称为子网掩码。

“CIDR 不使用子网”的意义

“CIDR 不使用子网”是指 CIDR 并没有在 32 位地址中指明若干位作为子网字段，但分配到一个 CIDR 地址块的单位，仍然可以在本单位内根据需要划分出一些子网。

例如，某单位分配到地址块 /20，就可以再继续划分为 8 个子网（即需要从主机号中借用 3 位来划分子网）

这些子网也都只有一个网络前缀和一个主机号字段，但子网的网络前缀比整个单位的网络前缀要长些。

这时每一个子网的网络前缀就变成 23 位（即原来的 20 位加上从主机号借来的 3 位），比该单位的网络前缀多了 3 位。

总结

• IP 地址由 32 位比特组成，用点分十进制表示法，IP 地址的作用：用于网络寻址

• IP 地址表示可以分为两部分：网络号 + 主机号，网络号标识主机所在的网络，在整个因特网中唯一，主机号标识该主机，在当前网络号的网络范围中唯一

• IP地址分类：A类、B类、C类、D类、E类，其中 D 类是多播地址，E 类保留尚未使用，也就是说目前实际使用的只有 A B C 三类

  A 类地址：8 位网络号 + 24 位主机号，网络号固定前面一位 0
  B 类地址：16 位网络号 + 16 位主机号，网络号固定前面两位 10
  C类地址：24 位网络号 + 8 位主机号，网络号固定前面三位 110

• A 类地址不能分配的网络号：最小的网络号 0 保留和最大的网络号 127 用作本地环回测试

• 每类地址中主机号全 0 和全 1 的不能分配，主机号全 0 的表示网络地址，主机号全 1 的地址是广播地址，路由器表中的网络地址就是主机号全 0 的地址

• IP 地址中点分十进制表示法的第一个十进制可以判断网络类型：小于127的属于 A 类，128 ~ 191 的属于 B 类，192 ~ 223 的属于 C 类

• ARP 协议的作用：根据 IP 地址拿到对应的 MAC 地址，ARP 协议只适用于一个局域网络内

• IP 分组转发：间接交付，源主机没必要知道目标主机的 MAC 地址，由路由器的路由表不断的转发实现

• 子网掩码：使用连续的比特 1（对应网络号和子网号） + 连续的比特 0（对应主机号）表示子网掩码，从每类地址中的主机号范围借用若干位最高位来表示子网号，剩余的表示主机号。 默认的子网掩码：A 类255.0.0.0 B 类255.255.0.0 C 类255.255.255.0

• 使用子网掩码求 IP 所属网络地址：IP 地址和子网掩码进行&与运算的结果，即所属网络地址，可以用于判断两台主机是否在同一个网络中。

• 无分类的 IPv4 地址：网络前缀 + 主机号，IP 地址后面加上斜杠再跟上网络前缀所占位数，如128.12.35.7/20表示用前20位表示网络号，剩余的用作主机号，它的地址掩码使用32位，由一串 1 和一串 0 组成，1 的个数就是网络前缀的长度。仍然可以通过借用主机号的高几位的办法划分子网，只不过子网的网络前缀更长了。

内网 IP和外网 IP - VPN 技术

什么是内网 IP

内网 IP 地址也叫做私有 IP 地址，或者专用 IP （private address），如果其他网络上主机不需要访问你们单位的某主机的话，那么你们单位的主机需要的 IP 就不需要有网络寻址的功能。

不同网络中，私有 IP 可以相同，这样就可以进一步节约宝贵的全球 IP 地址资源：

RFC 1918 指明了一些专用地址（private address），这些地址只能用于一个机构的内部通信，而不能用于和因特网上的主机通信。

这些被指定为用于私有的 IP 地址有：

• ① 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255（或记为 10.0.0.0/8）一整个连续的 A 类网络
• ② 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255（或记为 172.16.0.0/12) 16 个连续的 B 类网络
• ③ 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255（或记为 192.168.0.0/16）256 个连续的 C 类网络

采用这样的专用 IP 地址的互连网络称为专用互联网或本地互联网，或更简单些，就叫做专用网。

显然，全世界可能有很多的专用互连网络具有相同的专用 IP 地址，专用 IP 地址也叫做可重用地址（reusable address）。

问题：两个本地互联网中使用专用 IP 地址的两台主机如何通信？

• 第一种方法：租用电信公司的通信线路为本机构专用
  
  

• 第二种方法：因特网作为本机构各专用网之间的通信载体
  
  
  

远程接入 VPN（remote access VPN）

专用网主机如何上网？

• 答案是：网络地址转换 NAT (Network Address Translation) 路由器
  
  当 NAT 路由器具有 n 个全球IP地址时，专用网内最多可以同时有 n 个主机接入到因特网。这样就可以使专用网内较多数量的主机，轮流使用 NAT 路由器有限数量的全球 IP 地址。
  
  为了更加有效地利用 NAT 路由器上的全球 IP 地址，现在常用的 NAT 转换表把传输层的端口号也利用上。这样，就可以使多个拥有本地地址的主机，共用一个 NAT 路由器上的全球 IP 地址，因而可以同时和因特网上的不同主机进行通信。

总结

1. 私有（内网）IP 地址没有网络寻址的功能，不能访问因特网上的主机通信，只能用于一个机构内部通信

2. 不同网络中，私有 IP 可以相同

3. RFC 1918 指定了一些用于私有IP的地址：一整个连续的 A 类网络 10.0.0.0~10.255.255.255，16 个连续的 B 类网络 172.16.0.0~172.31.255.255，256 个连续的 C 类网络 192.168.0.0~192.168.255.255

4. 不同内网的主机之间通信：
   1）租用电信公司的通信限流为本机构专用，费用高
   2）借用因特网作为本机构各专用网之间的通信载体，利用VPN软件建立VPN隧道（虚拟网络）

5. 内网的主机访问因特网：通过安装了 NAT 软件的 NAT 路由器进行本地 IP 地址和公网的 IP 地址做转换映射

分组网间探测：PING

ICMP 的一个重要应用就是分组网间探测 PING（Packet InterNet Groper）， 用来测试两个主机（或者路由器）之间的连通性。

PING 是应用层直接使用网络层 ICMP 的一个例子，它没有经过传输层的 TCP 或 UDP。