【jc2-1】 网络层IP编址

        网络层位于TCP/IP协议栈第三层。在数据链路层和传输层中间，网络层通过定义一些协议保证了数据包的正确转发。本文简单介绍IP地址分类、合理进行子网地址划分（VLSM ,variable lengthsubnet mask可变长子网掩码）、ARP/RARP协议原理以及路由器工作原理。

 

网络层数据封装

     

前面已经学习到，数据链路层有物理地址――MAC地址。MAC地址是全球唯一的。当有数据发送时，源网络设备查询对端设备的MAC地址，然后将数据发送过去。

MAC地址通常存在于一个平面地址空间，没有清晰的地址层次，只适合于本网段主机的通信，另外，MAC地址固化在硬件中，灵活性较差。对于不同网络之间的互连通信，通常使用基于软件实现的网络层地址----IP地址来通信，提供更大的灵活性。IP地址，又称逻辑地址，IP地址在一个网络中是独一无二的。每一台网络设备用IP地址作为唯一的标识。

 

IP地址：

• IP地址唯一标识一台网络设备，由32个二进制位组成（又称为4个字节）；

• IP地址采用点分十进制格式显示；

• IP地址分为两部分

  • 网络地址部分

  • 主机地址部分

主机地址

 

进制转换

       IP地址是一组32为二进制，通常用4个8位二进制数组来表示。二进制中用0和1表示。每8位二进制数对应着一个十进制数。二进制及十进制转换如下图：

      

    

       IP地址的进制转换

              IP地址：192.168.1.11（十进制）

           

  

IP地址分类

      

        最初互联网设计者根据网络规模大小规定了地址类，把IP地址分为A、B、C、D、E五类。

        IP地址的网络部分称为网络地址，网络地址用于唯一地标识一个网段，或者若干网段的聚合，同一网段中的网络设备有同样的网络地址，这就好比同一个学院的学生学号有同样的学院代码开头。IP地址的主机部分称为主机地址，主机地址用于唯一的标识同一网段内的网络设备，这就好比一个学号的唯一标识一个学院内的某个学生。如A类IP地址：10.1.1.1，网络部分地址为10，主机部分地址为1.1.1。

       A类IP地址：

       A类IP地址第一个字节以“0”开始（也就是第一个八位数组，0XXX XXXX，最小值0 0000001[1] ~ 最大值0 1111111[126]），所以，A类地址的第一个字节为1~126之间（0和127为特殊，后面做解释）。

       A类地址范围：1.0.0.0 ~ 126.255.255.255  [第一字节二进制位：0 0000001 ~ 0 1111111]。

       B类IP地址：

       B类IP地址第一个字节以“10”开始（二进制：最小值 10 000000[128] ~ 10 111111[191]）,所以，B类地址的第一个字节为128 ~ 191之间。

       B类地址范围：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255 [第一字节二进制：10000000 ~ 10 111111 ]。

       C类IP地址：

       C类IP地址第一个字节以“110”开始（二进制：最小值110 00000[192] ~ 110 11111[223]），所以，C类地址的第一个字节为192 ~ 223之间。

       C类地址范围：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255 [第一字节二进制:11000000 ~ 110 11111]。

       D类IP地址第一个字节以“1110”，因此，D类地址的第一个字节为224 ~ 239.D类地址通常作为组播地址。

       E类IP地址第一个字节为240 ~ 255之间，保留用于科学研究。

 

特殊IP地址

 

        网络地址：对于主机部分（IP=网络部分+主机部分）全为“0”的IP地址，称为网络地址，网络地址用来标识一个网段，例如：A类地址1.0.0.0；

        广播地址：对于主机部分全为“1”的IP地址，称为广播地址，广播地址用于标识一个网络的所有主机，例如，1.255.255.255。广播地址用于向本网段的所有节点发送数据包。

 

私有IP地址

       在进行IP地址规划时，通常会在公司内部网络使用私有IP地址。

       私有IP地址是有interNIC预留的各个企业内部网络自由支配的IP地址。使用私有IP地址不能直接访问Internet是因为公网上没有针对私有地址的路由。当访问Internet时，需要利用网络地址转换（NAT,network addresstranslation）技术，把私有IP地址转换为Internet可识别的公有IP地址（这将在后面的课程做介绍）。

       InterNIC预留的私有IP地址：

       A类地址：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255

       B类地址：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255

       C类地址：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

掩码（masking）

• 使用掩码区分网络部分和主机部分；

• 掩码使用与IP地址一样的格式；

• 掩码的网络部分和子网部分全部都是1，主机部分全都是0.

• 
  

        默认情况下（也称为自然掩码），A类网络（1字节网络部分+3字节主机部分）的网络掩码为255.0.0.0，B类网络（2字节网络部分+2字节主机部分）的网络掩码为255.255.0.0，C类网络（3字节网络部分+1字节主机部分）的网络掩码为255.255.255.0.

子网掩码

       有前面掩码介绍可知，一个B类网可容纳65000多个主机在网络内。假设申请B类地址的用户仅仅只需要100个IP地址，那么剩余的地址无法被别人的用户使用，这就造成了极大的浪费。于是需要一种方法将这种网络分为不同的网段。按照各个子网段进行管理。

       网络设备使用子网掩码（subnet masking）决定IP地址中哪部分为网络部分，哪部分为主机部分。子网掩码使用与IP地址一样的格式。子网掩码的网络部分和子网部分全部是1，主机部分全都是0.

       子网掩码的表示方式如下：

      

图中子网掩码比特数是28，指的是子网掩码是连续的18个1，表示网络为有28为。

子网掩码表示方式：/28 =255.255.255.240两种表示方式是等同的。

例1：网络地址的计算

       IP地址为192.168.1.7/28，该IP地址的网络地址？

         

主机数的计算

     

主机数的计算是通过子网掩码来计算的，首先要看子网掩码中最后有多少位是0.如上图，假设最后有N位为0，那么总的主机数为2n个,可用主机的个数要减去全0的网络地址和全1的广播地址，即2n-2个。

例2：主机数计算

       IP地址为192.168.1.100/28，可用主机数为？

      

例中给出一个C类地址，标准子网掩码为8bits的主机位，这8bits中的前4bits也用作子网掩码，则所能容纳的主机总数为2的8-4次方（8为默认C类掩码的主机位数，4为用于子网掩码的位数，也就是找默认C类8bits借位来作为子网位，所以可用主机数为：2的n次方-2，n为主机数）。

例3：子网规划举例

       某公司使用192.168.1.0/24（C类地址）来规划公司内四个部门的IP网段，每个部门主机数50个左右，如何进行合理规划IP子网？

• 网络地址：192.168.1.0/24中192.168.1为网络位+0（8bits）为主机位；

• 四个部门就需要划分为四个子网，所以子网位（借位）为2,2^2=4（子网数=2的s次方，s为借位数）。所以四个子网为192.168.1.00000000/26（下划线部分为网络位，最后8bits用二进制表示，十进制：192.168.1.0/26），192.168.1.01000000/26（十进制：192.168.1.64/26）,192.168.1.10000000(十进制：192.168.1.128/26)，192.168.1.11000000/26（十进制：192.168.1.192/26）;

• 剩余主机位为6，所以可以用主机数=2^6=64>50，所以规划符合要求。

所以，最后四个子网位：

       192.168.1.0/26

       192.168.1.64/26

       192.168.1.128/26

       192.168.1.192/26.

例4：B类子网规划

     

    

 

变长子网掩码（VLSM）

     

把一个网络划分成多个子网，要求每一个子网使用不同的网络标识ID。但是每个子网的主机数不一定相同，而且相差很大，如果我们每个子网都采用固定长度子网掩码，而每个子网上分配的地址数相同，这就造成地址的大量浪费。这时候可以采用变长子网掩码（VLSM，Variable Length Subnet Mask）技术，对节点数比较多的子网采用较短的子网掩码，子网掩码较短的地址可表示的网络/子网数较少，而子网可分配的地址较多；节点数比较少的子网采用较长的子网掩码，可表示的逻辑网络/子网数较多，而子网上可分配地址较少。这种方案能节省大量的地址，节省的这些地址可以用于其它子网上。

如上图所示，某公司准备用C类网络地址192.168.1.0进行IP地址的子网规划。这个公司共购置了5台路由器，一台路由器作为企业网的网关路由器接入当地ISP，其它4台路由器连接四个办公点，每个办公点20台PC。从上图可以看出，需要划分8个子网，4个办公点各网段需要21个IP地址（包括一个路由器接口），与网关路由器相连的四个网段各需要2个IP地址，每个网段IP地址数目差异较大，可以采用VLSM技术。四个办公点网段采用子网掩码255.255.255.224，划出3个子网位，共有5个主机位，可以容纳最多25-2=30台主机。对于四个办公点路由器和网关路由器相连网段，划出6个子网位，2个主机位，最多有2个合法IP地址。

无类域间路由（CIDR）

CIDR（classlessinter domain routing）减少了路由表的规模，增强了网络的可扩展性。

 

CIDR突破了传统IP地址分类边界，将路由表中的若干条路由汇聚为一条路由，减少了路由表的规模，提高了路由器的可扩展性。

如上图所示，一个ISP被分配了一些C类网络，198.168.0.0~198.168.255.0。该ISP准备把这些C类网络分配给各个用户群，目前已经分配了三个C类网段给用户。如果没有实施CIDR技术，ISP的路由器的路由表中会有三条下连网段的路由条目，并且会把它通告给Internet上的路由器。通过实施CIDR技术，我们可以在ISP的路由器上把这三条网段198.168.1.0，198.168.2.0，198.168.3.0汇聚成一条路由198.168.0.0/16。这样ISP路由器只向Internet通告198.168.0.0/16这一条路由，大大减少了路由表的数目。

 

 

             

       

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