计算机网络基础网络层03.ppt

计算机网络,第 4 章 网络层三,计算机学院,计算机网络,2,课程回顾,1、ARP的作用和用法。 2、IP数据报首部格式、内容及具体含义和作用。 3、宿舍的IP地址和子网掩码。,版 本,标志,生 存 时 间,协 议,标 识,总 长 度,片 偏 移,填 充,首 部 检 验 和,源 地 址,目 的 地 址,可 选 字 段 （长 度 可 变）,首部长度,区 分 服 务,计算机学院,计算机网络,3,课程目标,掌握以下内容： 1、子网掩码的意义。 2、子网划分的方法和作用。 3、子网划分后，每个子网的网络地址、广播地址、子网数量、主机数量。 4、默认子网掩码和划分子网后的子网掩码的区别。 了解并熟悉以下内容： 1、分组在子网中的转发过程。,计算机学院,计算机网络,4,4.3 划分子网和构造超网,一个单位有三个部门，每个部门有50台主机 1、若申请三个C类IP，则使用150个IP地址，浪费254*3-150=612个IP地址； 2、若申请一个C类地址，则使用150个，浪费254-150=104个IP地址。,计算机学院,计算机网络,5,4.3 划分子网和构造超网,如果不划分子网，会出现三个问题： 1、IP地址的有效利用率问题； 2、路由器的工作效率问题； 3、灵活性差。,计算机学院,计算机网络,6,4.3.1 划分子网,一、子网的概念 1、为什么要划分子网？ IP地址的有效利用率问题；浪费IP地址。 路由器的工作效率问题；每个物理网络分配 一个网络号会使路由表太大。 两级IP地址不够灵活。不能灵活地增加网络。 2、什么是子网？ 将一个大的网络划分成几个较小的网络，而每一个网络都有其自己的子网地址。,计算机学院,计算机网络,7,3、从 1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。 这种做法叫作划分子网(subnetting) 。划分子网已成为因特网的正式标准协议。,4.3.1 划分子网,计算机学院,计算机网络,8,4、划分子网的基本思路 将单位所拥有的多个物理网络划分成若干个子网。划分子网是一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。 划分子网的方法，从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个位。 IP地址 := , , ,4.3.1 划分子网,计算机学院,计算机网络,9,凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。 此路由器收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。 最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。,4.3.1 划分子网,145.13.3.10,145.13.3.11,145.13.3.101,145.13.7.34,145.13.7.35,145.13.7.56,145.13.21.23,145.13.21.9,145.13.21.8,所有到网络 145.13.0.0的分组均到达此路由器,发向网络地址是 145.13.0.0的路由器,R1,R3,R2,一个未划分子网的 B 类网络145.13.0.0,划分为三个子网后对外仍是一个网络,145.13.3.10,145.13.3.11,145.13.3.101,145.13.7.34,145.13.7.35,145.13.7.56,145.13.21.23,145.13.21.9,145.13.21.8,子网 145.13.21.0,子网 145.13.3.0,子网 145.13.7.0,所有到达网络 145.13.0.0 的分组均到达 此路由器,网络 145.13.0.0,R1,R3,R2,计算机学院,计算机网络,12,划分子网后变成了三级结构 当没有划分子网时，IP 地址是两级结构。 划分子网后 IP 地址就变成了三级结构。 划分子网只是把 IP 地址的主机号 host-id 这部分进行再划分，而不改变 IP 地址原来的网络号 net-id。,4.3.1 划分子网,计算机学院,计算机网络,13,二、子网掩码 从一个 IP 数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分。 使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分。 1、子网掩码的概念 子网掩码是一个应用于TCP/IP网络的32位二进制值，它可以屏蔽掉ip地址中的一部分，从而分离出ip地址中的网络部分与主机部分，基于子网掩码，管理员可以将网络进一步划分为若干子网。,4.3.1 划分子网,计算机学院,计算机网络,14,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,net-id,net-id,host-id 为全 0,net-id,网络地址,A 类 地 址,默认子网掩码 255.0.0.0,网络地址,B 类 地 址,默认子网掩码 255.255.0.0,网络地址,C 类 地 址,默认子网掩码 255.255.255.0,host-id 为全 0,host-id 为全 0,2、默认子网掩码，可以分离出未划分子网的网络号,4.3.1 划分子网,计算机学院,计算机网络,15,3、子网掩码的重要属性 子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。 路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器。 路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码。 若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网络地址和两个子网掩码。,4.3.1 划分子网,计算机学院,计算机网络,16,145 . 13 .,3 . 10,两级 IP 地址,子网号为 3 的网络的网络号,三级 IP 地址,主机号,子网掩码,net-id,host-id,子网的 网络地址,0,net-id,subnet-id,host-id,145 . 13 .,145 . 13 . 3,3 . 10,4、划分子网后的IP地址和子网掩码,4.3.1 划分子网,计算机学院,计算机网络,17,5、如何找出网络地址 (IP 地址) AND (子网掩码) =网络地址,网络号 net-id,主机号 host-id,两级 IP 地址,网络号,三级 IP 地址,主机号,子网号,子网掩码,子网的 网络地址,net-id,subnet-id,0,逐位进行 AND 运算,4.3.1 划分子网,我们宿舍的网络是否划分了子网呢？为什么？,计算机学院,计算机网络,18,4.3.1 划分子网,6、以宿舍网络为例，判断是否划分了子网 宿舍某同学电脑的IP地址为：10.14.30.100 子网掩码为：255.255.254.0 IP地址和子网掩码进行与操作: IP地址：00001010 00001110 00011110 01100100 子网掩码：11111111 11111111 11111110 00000000 网络地址：00001010 00001110 00011110 00000000 网络地址： 10 . 14 . 30 . 0 对于A类IP地址，未划分子网的网络号为10 证明，宿舍的网络划分了子网。,计算机学院,计算机网络,19,4.3.1 划分子网,7、划分子网的案例 （1）每个部门分配一个C类IP地址，则IP地址的利用率低。 （2）如果将三个部门合并为一个网段，则网络上的广播流量过多，造成带宽浪费。 如何解决？,计算机学院,计算机网络,20,4.3.1 划分子网,7、划分子网的案例 （3）为该单位分配一个C类地址，然后划分子网，要求满足各个部门计算机数量的要求。 以C类网络192.168.1.0为例： 为了满足每个部门50台计算机的要求，IP地址中的主机位至少要6位，即26=6450，可以满足要求。 为了划分三个子网，需要从主机位借用2位作为子网位，即22=4,可以划分四个子网。可以满足要求。 注意：某些路由器支持全0子网和全1子网。 若要划分4个子网，借用两位主机位，则子网掩码应该为：255.255.255.192,计算机学院,计算机网络,21,4.3.1 划分子网,7、划分子网的案例 以C类网络192.168.1.0为例： 子网划分过程及结果为 依据子网掩码255.255.255.192 得出子网号为：00，01，10，11。 计算过程和结果如下(*号代表192.168.1),子网子网地址（二进制）子网地址实际ip范围 011000000.10101000.00000001.00000000*.0 *.1-*.62 111000000.10101000.00000001.01000000 *.64*.65-*.126 211000000.10101000.00000001.10000000 *.128*.129-*.190 311000000.10101000.00000001.11000000 *.192*.193-*.254,计算机学院,计算机网络,22,4.3.1 划分子网,8、与划分子网有关的其他问题 （1）已知IP地址和子网掩码，求该IP地址所在的子网的网络地址、广播地址、起始IP地址和最后的IP地址。 （2）已知子网掩码，求子网数量、每个子网的网络地址、广播地址、IP地址范围。 （3）已知各个物理网络的计算机数量，求A、B、C类地址可以划分的子网数量。,计算机学院,计算机网络,23,补充-子网掩码的概念及作用,子网掩码是一个应用于TCP/IP网络的32位二进制值，它可以屏蔽掉ip地址中的一部分，从而分离出ip地址中的网络部分与主机部分，基于子网掩码，管理员可以将网络进一步划分为若干子网。,计算机学院,计算机网络,24,补充-为什么需要使用子网掩码,虽然我们说子网掩码可以分离出ip地址中的网络部分与主机部分，可大家还是会有疑问，比如为什么要区分网络地址与主机地址？如何区分你的计算机中IP地址的网络号和主机号？,计算机学院,计算机网络,25,补充-为什么需要使用子网掩码,在使用TCP/IP协议的两台计算机之间进行通信时，我们通过将本机的子网掩码与接收方主机的ip地址进行与运算，即可得到目标主机所在的网络号。 又由于每台主机在配置TCP/IP协议时都设置了一个本机ip地址与子网掩码，所以可以知道本机所在的网络号。,计算机学院,计算机网络,26,补充-为什么需要使用子网掩码,通过比较这两个网络号，就可以知道接收方主机是否在本网络上。 如果网络号相同，表明接收方在本网络上，那么可以通过相关的协议把数据包直接发送到目标主机； 如果网络号不同，表明目标主机在远程网络上，那么数据包将会发送给本网络上的路由器，由路由器将数据包发送到其他网络，直至到达目的地。在这个过程中我们可以看到，子网掩码是不可或缺的！,计算机学院,计算机网络,27,补充-如何用子网掩码得到网络/主机地址,1.将ip地址与子网掩码转换成二进制； 2.将二进制形式的ip地址与子网掩码做与运算，将结果转换为十进制便得到网络地址； 3.将二进制形式的子网掩码取反； 4.将取反后的子网掩码与ip地址做与运算，将结果转换为十进制便得到主机地址。,计算机学院,计算机网络,28,补充-如何用子网掩码得到网络/主机地址,假设有一个I P 地址：192.168.0.1 子网掩码为：255.255.255.0 化为二进制为：I P 地址 11000000.10101000.00000000.00000001 子网掩码11111111.11111111.11111111.00000000 将两者做与运算得：11000000.10101000.00000000.00000000 将其化为十进制得：192.168.0.0 这便是上面ip的网络地址，主机地址依此类推。,计算机学院,计算机网络,29,补充-子网编址技术,子网是指一个ip地址上生成的逻辑网络，它可以让一个网络地址跨越多个物理网络，即一个网络地址代表多个网络。 举例：学校有四个处于不同物理位置的网络教室，每个网络教室25台机器，给这些机器配置ip地址和子网掩码。我们可以申请4个C类地址，每个教室一个，然后再一一配置就可以了。这样做理论上没错，但这样做很浪费，一共浪费了(254-25)*4=916个ip地址，如果所有的网管都这样做，那么internet上的ip地址将会在极短的时间内枯竭，显然，不能这样做，应该做子网划分。,计算机学院,计算机网络,30,补充-子网编址技术,子网划分是这样一个事情： 因为在划分了子网后，ip地址的网络号是不变的，因此在局域网外部看来，这里仍然只存在一个网络，即网络号所代表的那个网络； 但在网络内部却是另外一个景象，因为我们每个子网的子网号是不同的，当用划分子网后的ip地址与子网掩码【注意，这里指的子网掩码已经不是缺省子网掩码了，而是自定义子网掩码，是管理员在经过计算后得出的】做与运算时，每个子网将得到不同的子网地址，从而实现了对网络的划分【得到了不同的地址，当然就能区别出各个子网了】。,计算机学院,计算机网络,31,补充-子网划分将解决以下问题：,1）巨大的网络地址管理耗费：管理A类网络数量庞大的主机是很困难的； 2）IP地址空间有限并终将枯竭：这是一个至关重要的问题，高速发展的internet,使原来的编址方法不能适应，而一些ip地址却不能被充分的利用，造成了浪费。 因此，在配置局域网或其他网络时，根据需要划分子网是很重要的，有时也是必要的。 现在，子网编址技术已经被绝大多数局域网所使用。,计算机学院,计算机网络,32,补充-如何划分子网及确定子网掩码,在动手划分之前，一定要考虑网络目前的需求和将来的需求计划。 划分子网主要从以下方面考虑: 1.网络中要划分的子网数量 2.每个子网中主机的数量,计算机学院,计算机网络,33,补充-确定子网掩码的步骤：,第一步：确定子网的数量，将其转换为二进制数，并确定位数n。如：你需要6个子网，6的二进制值为110，共3位,即n=3； 第二步：按照ip地址的类型写出其缺省子网掩码。如C类，则缺省子网掩码为11111111.11111111.11111111.00000000；,计算机学院,计算机网络,34,补充-确定子网掩码的步骤：,第三步：将子网掩码中与主机号的前n位对应的位置1，其余位置0。若n=3且为 C类地址：则得到子网掩码为11111111.11111111.11111111.11100000化为十进制得到255.255.255.224 B类地址：则得到子网掩码为11111111.11111111.11100000.00000000化为十进制得到255.255.224.0 A类地址：则得到子网掩码为11111111.11100000.00000000.00000000化为十进制得到255.224.0.0,计算机学院,计算机网络,35,补充-确定子网掩码的步骤：,由于网络被划分为6个子网，占用了主机号的前3位，若是C类地址，则主机号只能用5位来表示主机号，因此每个子网内的主机数量（2的5次方）230，6个子网总共所能标识的主机数将小于254，这点请大家注意！,计算机学院,计算机网络,36,补充-确定子网掩码的步骤：,划分4个子网，5个子网和6个子网的子网掩码是一样的，同为255.255.255.224，是不是错了呢？三个子网掩码应该不同？ 因为4，5，6的二进制值都是3位，因此在子网掩码中这三位都置1，划分是没有问题的，只是理解上有一点小小的问题，划分为4个子网，其实可以理解为划分为6个子网，但只使用了其中的4个。比如你想划分8个子网，与划分14个子网所得到的子网掩码是一样的，都占用了4位作为子网号。,计算机学院,计算机网络,37,补充-相关判断方法,1）如何判断是否做了子网划分？ 如果使用了缺省子网掩码，那么表示没有做子网划分；反之，则一定做了子网划分。 【寝室里的计算机使用的IP地址是否划分了子网？】 2）如何计算子网地址？ 将ip地址与子网掩码的二进制形式做与，得到的结果即为子网地址。 3）如何计算主机地址？ 先将子网掩码的二进制取反，再与ip地址做与。,计算机学院,计算机网络,38,补充-相关判断方法,4）如何计算子网数量？ 主要有两个步骤： (1) 观察子网掩码的二进制形式，确定作为子网号的位数n； (2) 子网数量为2的n次方2。（为什么减2） 例如，子网掩码：255.255.255.224其二进制为： 11111111.11111111.11111111.11100000 可见n=3,2的3次方为8，说明子网地址可能有如下8种情况：,000 001 010 011,其中代表网络自身的000；代表广播地址的111是被保留的，所以要减2。 有些路由器可以设置使用子网号为全0和全1的子网。,100 101 110 111,计算机学院,计算机网络,39,补充-相关判断方法,5）如何计算总主机数量，子网内主机数量？ 总主机数量子网数量子网内主机数量 比如子网掩码为255.255.255.224 我们知道它最多可以划分6个子网，那么每个子网内最多有多少个主机呢？由于网络被划分为6个子网，占用了主机号的前3位，且是C类地址，则主机号只能用5位来表示主机号，因此子网内的主机数量（2的5次方）230. 因此通过这个子网掩码我们可以算出这个网络最多可以标识6*30=180个主机（可见，在划分子网后，整个网络所能标识的主机数量将减少）。,计算机学院,计算机网络,40,补充-相关判断方法,6）计算ip地址范围 通过一个自定义子网掩码，我们可以得到这个网络所有可能的ip地址范围。 具体步骤： (1).写出二进制子网地址； (2).将子网掩码转换成二进制数； (3).计算子网所能容纳主机数； (4).得出ip范围（起始地址：子网地址1；终止地址：子网地址主机数）,计算机学院,计算机网络,41,补充-相关判断方法,假设一个C类子网掩码为：255.255.255.224，可知其最多可以划分6个子网，子网内主机数为30，那么所有可能的ip地址及计算流程如下： 子网子网地址（二进制）子网地址实际ip范围 1号11001010.01110000.00001010.00100000202.112.10.32202.112.10.33-202.112.10.62 2号11001010.01110000.00001010.01000000202.112.10.64202.112.10.65-202.112.10.94 3号11001010.01110000.00001010.01100000202.112.10.96202.112.10.97-202.112.10.126 4号11001010.01110000.00001010.10000000202.112.10.128202.112.10.129-202.112.10.158 5号11001010.01110000.00001010.10100000202.112.10.160202.112.10.161-202.112.10.190 6号11001010.01110000.00001010.11000000202.112.10.192202.112.10.193-202.112.10.222,计算机学院,计算机网络,42,补充- CCNA考试中常见的题型,一个主机的IP地址是202.112.14.137，掩码是255.255.255.224，要求计算这个主机所在网络的网络地址和广播地址。,255.255.255.224的掩码所容纳的IP地址有25622432个（包括网络地址和广播地址），那么具有这种掩码的网络地址一定是32的倍数。而网络地址是子网IP地址的开始，广播地址是结束，可使用的主机地址在这个范围内，因此略小于137而又是32的倍数的只有128，所以得出网络地址是202.112.14.128。而广播地址就是下一个网络的网络地址减1，而下一个32的倍数是160，因此可以得到广播地址为 202.112.14.159。,141 . 14 . 0 1 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0,【例4-2】已知 IP 地址是 141.14.72.24，子网掩码是 255.255.192.0。试求网络地址。,(a) 点分十进制表示的 IP 地址,(c) 子网掩码是 255.255.192.0,0 0 0 0 0 0 0 0,141 . 14 .,72 . 24,141 . 14 .,64 . 0,. 0,0 1 0 0 1 0 0 0,141 . 14 .,. 24,(b) IP 地址的第 3 字节是二进制,(d) IP 地址与子网掩码逐位相与,(e) 网络地址（点分十进制表示）,141 . 14 . 0 1 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0,【例4-3】在上例中，若子网掩码改为255.255.224.0。试求网络地址，讨论所得结果。,(a) 点分十进制表示的 IP 地址,(c) 子网掩码是 255.255.224.0,0 0 0 0 0 0 0 0,141 . 14 .,72 . 24,141 . 14 .,64 . 0,. 0,0 1 0 0 1 0 0 0,141 . 14 .,. 24,(b) IP 地址的第 3 字节是二进制,(d) IP 地址与子网掩码逐位相与,(e) 网络地址（点分十进制表示）,不同的子网掩码得出相同的网络地址。 但不同的掩码的效果是不同的。,计算机学院,计算机网络,45,练习,如图所示的拓扑以及如表所示可能的 IP 地址列表，请分配适当的 IP 地址和子网掩码到 Router0 的接口，必须满足每个网络的主机要求，同时尽可能减少未使用的 IP 地址数目。,计算机学院,计算机网络,46,在不划分子网的两级 IP 地址下，从 IP 地址得出网络地址是个很简单的事。 但在划分子网的情况下，从 IP 地址却不能唯一地得出网络地址来，这是因为网络地址取决于那个网络所采用的子网掩码，但数据报的首部并没有提供子网掩码的信息。 因此分组转发的算法也必须做相应的改动。,4.3.2 使用子网掩码的分组转发过程,计算机学院,计算机网络,47,在划分子网的情况下路由器转发分组的算法,(1)从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D。 (2)先用各网络的子网掩码和 D 逐位相“与”，看是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。否则就是间接交付，执行(3)。 (3)若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。 (4)对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐位相“与”，若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。 (5)若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。 (6) 报告转发分组出错。,128.30.33.1,0,128.30.33.13,H1,子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128,128.30.33.130,1,R2,子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128,H2,128.30.33.138,0,1,128.30.33.129,H3,128.30.36.2,子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0,128.30.36.12,【例4-4】已知互联网和路由器 R1 中的路由表。主机 H1 向 H2 发送分组。试讨论 R1 收到 H1 向 H2 发送的分组后查找路由表的过程。,主机 H1 要发送分组给 H2,128.30.33.1,0,R1 的路由表（未给出默认路由器）,128.30.33.13,H1,子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128,128.30.33.130,R1,1,R2,子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128,H2,128.30.33.138,0,1,128.30.33.129,H3,128.30.36.2,子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0,128.30.36.12,要发送的分组的目的 IP 地址：128.30.33.138,请注意：H1 并不知道 H2 连接在哪一个网络上。 H1 仅仅知道 H2 的 IP 地址是 128.30.33.138,因此 H1 首先检查主机 128.30.33.138 是否连接在本网络上 如果是，则直接交付； 否则，就送交路由器 R1，并逐项查找路由表。,128.30.33.1,0,H1,子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128,128.30.33.130,R1,1,R2,子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128,H2,128.30.33.13,128.30.33.138,0,1,128.30.33.129,H3,128.30.36.2,子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0,128.30.36.12,主机 H1 首先将 本子网的子网掩码 255.255.255.128 与分组的 IP 地址 128.30.33.138 逐比特相“与”(AND 操作),255.255.255.128 AND 128.30.33.138 的计算,255 就是二进制的全 1，因此 255 AND xyz = xyz， 这里只需计算最后的 128 AND 138 即可。,128 10000000 138 10001010,逐比特 AND 操作后：10000000 128, H1 的网络地址,因此 H1 必须把分组传送到路由器 R1 然后逐项查找路由表,128.30.33.1,0,R1 的路由表（未给出默认路由器）,128.30.33.13,H1,子网1： 网络地址 128.30.33.0 子网掩码 255.255.255.128,128.30.33.130,R1,1,R2,子网2：网络地址 128.30.33.128 子网掩码 255.255.255.128,H2,128.30.33.138,0,1,128.30.33.129,H3,128.30.36.2,子网3：网络地址 128.30.36.0 子网掩码 255.255.255.0,128.30.36.12,路由器 R1 收到分组后就用路由表中第 1 个项目的 子网掩码和 128.30.33.138 逐比特 AND 操作,128.30.33.1,0,R1 的路由表（未给出默认路