计网Lesson6 - IP 地址分类管理

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1. $IP$ 地址定义

现如今有两版 $IP$ 地址： $IPv4$ 和 $IPv6$ ，先讨论 $IPv4$

• $IPv4$ 用 $32$ 位二进制来表示，但是二进制不符合人类阅读习惯，所以为了易读性考虑，采用了：每 $8$ 位为一组，一共分为 $4$ 组，每组之间用 ${}^{\prime }{.}^{\prime }$ 隔开，再将每组转换为十进制数 的方法。
• 每 $8$ 位为一组，那么能表示的十进制数字范围就是[0, 255]。
• $IP$ 地址一共有 $2^{32}\approx 4294967296$ 个，大概支持 $43$ 亿台设备连接到网络，但是真的是如此吗？
  • $IP$ 地址是互联网协议（Internet Protocol），也就是说你被分配了 $IP$ 但是你可以不上因特网，但是可以在私网内进行交互。
  • $IP$ 不会根据主机个数来进行分配，而是根据网卡（$NIC$） 来进行分配，一个网卡可以被分配多个 $IP$ ，而通常一台路由器就有至少两个网卡，所以设备数达不到 $43$ 亿。

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2. $IPv4$ 的表示方法

• $IPv4$ 由因特网名字和数字分配机构（ICANN） 进行分配。
  
  

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2.1 $IPv4$ 的分类编址法

• $IPv4$ 由网络号和主机号构成。
  

• 早期为了方便管理，根据实际情况，将 $IPv4$ 分为五大类，每类具有不同长度的网络号和主机号。
  
  

  • $A,B,C$ 类地址的开头一定记住，分别是： $1,128,192$ ，这样就能快速判断某个 $IPv4$ 是属于哪一类地址了。
  • $A$ 类为什么是 $126$ 个地址：
    • $A$ 类地址以 $0$ 开头，所以网络号的范围取决于后面七位，所以范围应该是[0, 128]。
    • 首先，全 $0$ 是个特殊地址，不能用。
    • 其次，全 $1$ 也是个特殊地址，也不能用。
      • 这个地址叫回环地址，代表了自己的主机，多用于软件测试时 $ping$ 自己用。
      • 一旦地址是127.x.x.x，上层递交给网络层解析出来后，不会交给链路层，直接就由网络层丢回去了，这是操作系统已经写好的自回环，不会麻烦其他设备。
  • 最大主机数目为什么 $-2$ ？
    • 如图中所写，全 $0$ 和全 $1$ 的主机号分别代表了网络地址和广播地址，不用于给主机分配 $IP$ 。
  • 什么是私有 $IP$ 地址？
    • 就是在各个类别的地址段会分配一个供私网进行分配的 $IP$ 段，这个段仅供私网内互相交互，而不能联通因特网，路由器发现属于这个段的 $IP$ 都会主动丢弃，根本传不出去。
    • 所以说这个段的 $IP$ 可重复，这样方便了网络管理并减少了公共 $IP$ 的使用。
    • 当我们想与不同网段进行交互，就需要一个合理 $IP$，这时需要网络地址转换技术（NAT），将私有 $IP$ 转换为公共 $IP$ 。

• 一般不是用的特殊 $IPv4$ 地址
  

  • 全 $1$ 地址255.255.255.255与 $net-id+全1$地址net-id.255的关系：
    • 直接广播：这种类型的广播会将信息发送到特定网络或子网中的所有设备。例如，如果我们有一个网络192.168.1.0/24，那么广播地址就是192.168.1.255。当发送到这个地址的数据包到达路由器时，路由器会将数据包发送到192.168.1.0/24网络中的所有设备。
    • 本地广播：这种类型的广播会将信息发送到与发送设备在同一网络或子网中的所有设备。广播地址是255.255.255.255。这个地址不能被路由，因此数据包只能在本地网络中传播。
    • 所以，net-id.255会对整个网络net-id内的所有子网络的设备进行广播，而255.255.255.255只能对其所在子网络上的所有设备进行广播。

  

  • 全 $0$ 网络号与全 $1$ 主机号与源地址和目的地址的关系：
    • 全 $0$：可以作为源地址，但是不能作为目的地址。
    • 全 $1$：可以作为目的地址，但是作为源地址。

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2.2 $IPv4$ 的划分子网法

随着许多中小型网络加入，IPv4分类编址方法不够灵活、容易造成⼤量IPv4地址资源浪费的缺点暴露了出来，这个时候需要对其进行改进，也就是划分子网方法。

2.2.1 如何划分子网

• 将 $IP$ 地址中的主机号拿出来几位充当网络号，剩下的作为主机号。
  • 也就是说，先固定对应类别网址的网络号，然后从主机号中分出几位继续为网络号划分子网。
    • 例如：210.55.23.x这个网络号如果需要划分子网应该怎么做：
    • 先判断是哪一类网，首块为 $210>192$，所以是 $C$ 类网址，那么前面三块就是它的网络号，将其固定。
    • 然后从最后一块x处分出几位作为子网编号。
      • x是 $8$ 位，即xxxx xxxx。
      • 如果分一位，那就是两类子网，如果分两位就是四类子网……
      • 分两位的图解：
        

2.2.2 如何确定子网的借位数

• 子网掩码可以表示 $IPv4$ 的子网借位数。
  • 子网掩码也是由 $32bit$ 构成。
    • 网络号（含子网）对应位全是 $1$，主机号对应位全是 $0$。
    • 拿刚刚的例子距离：210.55.23.kkxx xxxx的子网掩码是11...11.1100 0000（前面全 $1$，最后 $6$ 位全 $0$）。
  • 子网掩码与 $IPv4$ 进行与运算（&）
    • &(and)：只有两位都是 $1$ 才是 $1$；
    • 换句话说，一个数和 $1$ 进行与运算结果还是那个数，也就是公式：$$k\&1=k$$
  • 子网掩码与 $IPv4$ 相与得到的结果就是网络号。

2.2.3 总结

• 计算掩码工具：https://tool.chinaz.com/tools/subnetmask。
• 根据子网借用主机位数，我们可以算出划分的子网数、掩码、每个子网的主机数。

2.2.4 题目练习

• 由主机 $IP$ 的第一块 $180<192$ 可知这是个 $B$ 类地址，也就是说前两块是网络号，后两块是主机号。
• 子网掩码转换为二进制就是 $\mathrm{11...11.1111}1100.00000000$，我们可以看出子网借了 $6$ 位。
• 那么前两块的网络号肯定不会变，现在需要找到他的子网号——进行与运算：
  • 后两块主机号转换为二进制就是 $01001101.00000000$，最后一块不重要，所以没算。
    77 = 64(6) + 8(3) + 4(2) + 1(0)
  • 与运算得网络号为 $\mathrm{180.80.0100}1100.00000000$（前两块十进制，后两块二进制）
    • 易错点解析：可能会在这直接将它的整个网络号算出来，但是这就不对了，因为主机号还没有填，第三块是不完整的。
  • 依题意，广播分组，那么主机号应该就是全 $1$，那么整个网络号就是 $\mathrm{180.80.0100}1111.11111111$，转换为十进制就是180.80.79.255

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2.3 $IPv4$ 的无分类编址法

• 总的来说就一句话：之前只能网络号借主机号，现在主机号也能借网络号了。
  • 这就导致没有了固定的网络号
    • 想要获得网络号就&地址掩码；
    • 想获得主机号就&(~地址掩码)，地址掩码取反再与。
• 现在直接在 $IP$ 地址后面加个/数字来表示前几位表示网络号。
• 对于最后的 $IP$ 128.14.35.7 / 20来说，我们从传统方式上叫它 $B$类地址址，但是从无分类编址法来看，已经没有了传统的哪一类地址的概念。