CCNA Discovery4.0家庭和小型企业工作_第五章_网络寻址.doc

5.1 IP地址和子网掩码5.1.1 IP地址和用途主机需要 IP 地址才能加入 Internet。IP 地址是用于标识特定主机的逻辑网址。为了与 Internet 上的其它设备进行通信，它必须配置正确并且唯一。IP 地址将分配给连接到主机上的网络接口。此接口通常指设备中安装的网络接口卡 (NIC)。具有网络接口的最终用户设备包括工作站、服务器、网络打印机和 IP 电话等。某些服务器可以有多块网卡，其中每块网卡都有各自的 IP 地址。协助 IP 网络连接的路由器接口也需具有 IP 地址。通过 Internet 发送的每个数据包都有源 IP 地址和目的 IP 地址。网络设备必须了解这些参数，才能确保信息到达目的设备，并确保所有应答都能返回源设备。 5.1.2 IP地址结构IP 地址就是 32 个二进制位（一和零）的数字串。二进制 IP 地址非常难于阅读。为此，人们以 8 个位为一组（称为一个八位字节），将这 32 个位划分为四个八位字节。同样，以这种格式表示的 IP 地址也难于阅读和记忆。为了使 IP 地址更易于理解，人们就将每个八位字节表示为其十进制数值，并以小数点或句号加以分隔。这称为点分十进制记法。八位字节：代表8个二进制位，范围从0到255的十进制数字为主机配置 IP 地址时，输入的 IP 地址是十进制数字，如 192.168.1.5。如果您必须输入此十进制数字的 32 位二进制表示方式，结果将是：11000000101010000000000100000101。在输入时只要其中某一位出错，结果就会变成完全不同的另一个地址，主机也就可能无法在网络中通信。32 位 IP 地址由网际协议第 4 版 (IPv4) 定义，它是目前 Internet 上最为通用的 IP 地址形式。使用 32 位地址分配方案可产生超过 40 亿个 IP 地址。2当主机接收到 IP 地址时，它看到的就是网卡接收到的 32 位二进制数值。而另一方面，人们需要将这些 32 位二进制数值转换为十进制表示的四个八位字节。每个八位字节有 8 个位，每个位都有一个值。这些八位字节具有相同的取值范围。其中，最右边一位的值为 1，其它各位的值从右至左分别为 2、4、8、16、32、64 和 128。通过累加二进制值为 1 的所有位的值，就可以确定一个八位字节的数值。 如果某个位的二进制值为 0，则不计入该位的值。 如果所有 8 个位均为 0，则此八位字节（00000000）的数值为 0。 如果 8 个位全为 1，则此八位字节（11111111）的数值为 255 (128+64+32+16+8+4+2+1)。 如果是 8 位混合数值，如 00100111，该八位字节的数值为 39 (32+4+2+1)。由此可见，在四个八位字节中，每一个数值的范围都是从最小值 0 到最大值 255。5.1.3IP地址的组成部分32 位逻辑 IP 地址具有层次性，由两个部分组成。第一部分标识网络，第二部分则标识网络中的主机。这两部分在 IP 地址中缺一不可。以 IP 地址为 192.168.18.57 的主机为例，前三个八位字节 (192.168.18) 标识该地址的网络部分，最后一个八位字节 (57) 标识主机。这称为分层寻址 网络部分表明了每个唯一的主机地址位于哪个网络中。路由器只需知道如何到达每个网络，而不需要知道每台主机的位置。分层网络的另一个例子是电话系统。电话号码中的国家代码、地区代码和交换局代表网络地址，而其余的数字则代表本地的电话号码。 5.1.4IP地址和子网掩码的交互方式每个 IP 地址都有两个部分。主机如何知道哪个部分是网络，哪个部分是主机？这项工作由子网掩码负责。在配置 IP 主机时，要随 IP 地址设置子网掩码。与 IP 地址一样，子网掩码的长度也是 32 位。子网掩码用于表明 IP 地址的哪一部分代表网络，哪一部分代表主机。子网掩码从左至右依次与 IP 地址逐位对比。子网掩码中的 1 代表网络部分；而 0 则代表主机部分。在示例中，前三个八位字节代表网络，最后一个八位字节代表主机。当主机发送数据包时，会拿子网掩码与自身 IP 地址和目的 IP 地址进行比较。如果网络部分的各个位相符，表示源主机和目的主机位于同一网络中，因此数据包只需在本地传送。 如果不相符，则发送方主机会将数据包转发到本地路由器接口，再由其转发到其它网络。看H1如何使用其子网掩码确定H2是否在同一网络2家庭和小型企业网络最常见的子网掩码是：255.0.0.0（8 位）、255.255.0.0（16 位）和 255.255.255.0（24 位）。子网掩码 255.255.255.0（十进制）或 11111111.11111111.1111111.00000000（二进制）使用 24 位标识网络号码，剩下 8 位用于对网络中的主机进行编号。要计算该网络中可以存在的主机数量，可以 2 为底，以主机的位数为指数并求幂 (2 8 = 256)。必须从结果数字中减去 2 （256-2）。减 2 的原因在于主机部分全部为 1 的 IP 地址是该网络的广播地址，不能分配给具体的主机。主机部分全部为 0 则代表网络 ID，同样不能分配给具体的主机。通过任何 Windows 操作系统自带的计算器均可轻易地算出 2 的幂。确定可用主机数量的另一种方法是将各主机位的数值相加 (128+64+32+16+8+4+2+1 = 255)。从此数字中减去 1 (255-1 = 254)，因为主机部分的各位不能全部为 1。这里不必减去 2，因为全部为 0 的数值为 0，不包含于相加的算式中。如果使用 16 位的掩码，则主机地址也有 16 位合共两个八位字节，其中一个八位字节可以全部为 1 (255)。虽然这可能看起来与广播类似，但只要另一个八位字节并不全部为 1，它就是有效的主机地址。请记住，主机会将所有主机位当作一个整体看待，而不是当作八位字节值。 实验 5.1.4 使用 Windows 计算器计算网络地址 电子文档练习5.2.1IP地址类和默认子网掩码IP 地址和子网掩码共同确定了 IP 地址中代表网络地址的部分和代表主机地址的部分。IP 地址划分为 5 类。A 类、B 类和 C 类是商业类地址，可分配给主机。D 类保留供组播使用，而 E 类则用于实验用途。C 类地址使用三个八位字节表示网络部分，一个表示主机。默认子网掩码为 24 位 (255.255.255.0)。C 类地址通常分配给小型网络。B 类地址使用两个八位字节代表网络部分，另两个代表主机。默认子网掩码为 16 位 (255.255.0.0)。这些地址一般用于中型网络。A 类地址仅以一个八位字节代表网络部分，其余三个代表主机。默认子网掩码为 8 位 (255.0.0.0)。这些地址一般分配给大型组织。通过首个八位字节的值，就可以确定地址的类别。举例而言，如果 IP 地址的首个八位字节的值介于 192 和 223 之间，它就应该归为 C 类地址。例如，200.14.193.67 就是 C 类地址。5.2.2公有和私有IP地址直接连接到 Internet 的所有主机都需要唯一的公有 IP 地址。由于可用的 32 位地址数量有限，因此存在 IP 地址分配殆尽的风险。解决此问题的一个办法是保留一些私有地址，仅供组织在内部使用。这样，组织内部的主机无需唯一的公有 IP 地址就能够相互通信。RFC 1918 标准在 A、B 和 C 类每个类别中都保留数个地址范围。如表所示，这些私有地址范围包含一个 A 类网络、16 个 B 类网络和 256 个 C 类网络。这为网络管理员分配内部地址提供了极大的灵活性。规模非常大的网络可以使用 A 类私有网络，可容纳 1600 万以上的私有地址。中型网络可以使用 B 类私有网络，提供的地址超过 65,000 个。家庭和小型企业网络一般使用单一的 C 类私有地址，最多可容纳 254 台主机。任何规模的组织均可在内部使用一个 A 类网络、16 个 B 类网络或 256 个 C 类网络。一般而言，许多组织使用的都是 A 类私有网络。只要组织中的主机不与 Internet 直接连接，这些主机就可以在内部使用私有地址。因此，多个组织可以使用相同的私有地址集。私有地址不能在 Internet 上路由，因此会被 ISP 的路由器阻挡。由于私有地址只在本地网络中可见，外部人员无法直接访问私有 IP 地址，因此使用它们可以作为一种安全措施。还有一些私有地址可用于进行设备的诊断测试。此类私有地址称为环回地址。A 类 127.0.0.0 网络就是保留用作环回地址的。 5.2.3单播、组播和广播地址除了地址类别外，我们还将 IP 地址归类为单播、广播或组播。主机可以使用 IP 地址进行一对一（单播）、一对多（组播）或一对所有（广播）通信。单播单播地址是 IP 网络中最常见的类型。含单播目的地址的数据包，其预定的接收方是特定的主机。例如：IP 地址为 192.168.1.5（源地址）的主机向 IP 地址为 192.168.1.200（目的地址）的服务器请求网页。要传送和接收单播数据包，目的 IP 地址必须包含于 IP 包报头中。相应的目的 MAC 地址也必须出现于以太网帧报头中。只有 IP 地址和 MAC 地址相结合。才能将数据传送到特定的目的主机。广播发送广播时，数据包以主机部分全部为一 (1) 的地址作为目的 IP 地址。这表示本地网络（广播域）中的所有主机都将接收和查看该数据包。ARP 和 DHCP 等许多网络协议都使用广播。C 类网络 192.168.1.0 的默认子网掩码为 255.255.255.0，其广播地址为 192.168.1.255。主机部分为十进制数值 255 或二进制数值 11111111（全部为 1）。B 类网络 172.16.0.0 的默认子网掩码为 255.255.0.0，其广播地址为 172.16.255.255。A 类网络 10.0.0.0 的默认子网掩码为 255.0.0.0，其广播地址为 10.255.255.255。网络的广播 IP 地址需要在以太网帧中包含相应的广播 MAC 地址。在以太网中，广播 MAC 地址长 48 位，全部为一，以十六进制显示时则为 FF-FF-FF-FF-FF-FF。组播组播地址允许源设备向一组设备发送数据包。属于某一组播组的设备都指派有该组播组 IP 地址。组播地址的范围为 224.0.0.0 到 239.255.255.255。由于组播地址代表一组地址（有时称为主机组），因此只能用作数据包的目的地址。源地址始终为单播地址。远程游戏就是一个需要使用组播地址的例子，其中有许多玩家通过远程连接来玩同一个游戏。另一例子是通过视频会议进行远程教学，许多学生连接到同一个教室。如同单播或广播地址一样，组播 IP 地址也需要相应的组播 MAC 地址才能在本地网络中实际传送帧。组播 MAC 地址是一个特殊的十六进制数值，以 01-00-5E 开头。然后将 IP 组播组地址的低 23 位换算成以太网地址中剩余的 6 个十六进制字符，作为组播 MAC 地址的结尾。如图中例子所示，换算得出十六进制的 01-00-5E-0F-64-C5。每个十六进制字符均为 4 个二进制位。有一个动画归档练习5.3.1静态和动态地址分配 可以静态或动态的方式分配 IP 地址。静态采用静态方式分配时，网络管理员必须手工配置主机的网络信息。这些信息至少包括主机 IP 地址、子网掩码和默认网关。静态地址具有一些优点。例如：对于打印机、服务器以及网络上的客户端需要访问的其它网络设备而言，静态地址就很实用。如果主机要经常访问某个 IP 地址上的服务器，那么该地址就不宜变更。静态分配地址信息可以提高对网络资源的控制能力，但是在每台主机上输入信息却非常耗时。静态输入 IP 地址时，主机只会对 IP 地址执行基本错误检查。因此，发生错误的可能性比较大。使用静态 IP 寻址时，必须维护一份准确的清单，列出设备及向其分配的 IP 地址。此外，这些地址是固定地址，因此通常不能重复使用。动态在本地网络中，用户数量通常会频繁变化。如果新来了携带笔记本电脑的用户，就需要连接。如果其他人有的新工作站，则也需要新的连接。自动分配 IP 地址在方便性方面，优于由网络管理员为每台工作站分配 IP 地址的做法。要完成自动分配，需要使用动态主机配置协议 (DHCP)。DHCP 提供一种自动分配 IP 地址、子网掩码、默认网关等地址信息和其它配置信息的机制。在大型网络中，DHCP 一般是分配主机 IP 地址的首选方法，因为它可降低网络支持人员的工作负担，而且几乎可以杜绝任何输入错误。DHCP 的另一个优点是，地址并非固定分配给主机而只是租用一段时间。如果主机关闭或离开网络，该地址就可返回池中供再次使用。这一点特别有助于在网络中进进出出的移动用户。5.3.2DHCP服务器您在机场或咖啡厅通过无线热访问 Internet 时，DHCP 就很可能体现了它的作用。当您进入该区域时，您的笔记本电脑 DHCP 客户端程序会通过无线连接联系本地 DHCP 服务器。DHCP 服务器会将 IP 地址分配给您的笔记本电脑。各种类型的设备只要运行 DHCP 服务软件，就都可成为 DHCP 服务器。在大多数中型到大型网络中，DHCP 服务器通常都是基于 PC 的本地专用服务器。而家庭网络的 DHCP 服务器一般位于 ISP 处，家庭网络中的主机直接从 ISP 接收 IP 配置。许多家庭网络和小型企业都使用集成路由器连接到 ISP 的调制解调器。在此情况下，集成路由器既是 DHCP 客户端又是 DHCP 服务器。集成路由器扮演客户端的角色，从 ISP 接收 IP 配置，然后在本地网络中作为内部主机的 DHCP 服务器。除了基于 PC 的服务器和集成路由器外，其它类型的网络设备（如专用路由器）也可以为客户端提供 DHCP 服务，但不如前者那样常用。5.3.3配置DHCP当主机首次被配置为 DHCP 客户端时，它并没有 IP 地址、子网掩码或默认网关。它要从位于本地网络中或 ISP 处的 DHCP 服务器获取这些信息。DHCP 服务器配置有一个 IP 地址范围，或称 IP 地址池，这些地址可用来分配给 DHCP 客户端。需要 IP 地址的客户端将发送 DHCP 发现报文，这是一种广播报文。其目的 IP 地址为 255.255.255.255（32 位均为一），目的 MAC 地址为 FF-FF-FF-FF-FF-FF（48 位均为一）。网络中的所有主机都会收到此广播 DHCP 帧，但只有 DHCP 服务器才会作出应答。服务器使用 DHCP 提供报文响应，为该客户端提供 IP 地址建议。然后，主机向该服务器发送 DHCP 请求报文，要求使用建议的 IP 地址。服务器用 DHCP 确认报文响应。大多数家庭和小型企业网络都使用多功能设备为本地网络客户端提供 DHCP 服务。要配置 Linksys 无线路由器，可访问其图形 Web 界面，请打开浏览器并在地址栏中输入路由器默认 IP 地址：192.168.1.1。导航至显示 DHCP 配置的屏幕。IP 地址 192.168.1.1 和子网掩码 255.255.255.0 是内部路由器接口的默认设置。这是本地网络中所有主机的默认网关，也是内部 DHCP 服务器的 IP 地址。大部分 Linksys 无线路由器和其它家用集成路由器都会默认启用 DHCP 服务。DHCP 配置屏幕上已提供默认的 DHCP 范围，或者您也可以指定 DHCP 范围的起始地址（请勿使用 192.168.1.1）和要分配的地址数量。租用时间也可以修改（默认设置为 24 小时）。大多数集成多业务路由器的 DHCP 配置功能都会提供相关信息，说明已连接的主机和 IP 地址、其相关联的 MAC 地址以及租用时间。DHCP 客户端表还会显示客户端的名称以及其连接方式（是通过以太网 LAN 连接还是无线接口连接）。5.4.1网络边界和地址空间路由器担当了网关的作用，一个网络中的主机可以通过网关与其它网络中的主机进行通信。路由器上的每个接口分别连接到不同的网络。分配给接口的 IP 地址用于标识与其直接连接的本地网络。网络中的每台主机都必须使用路由器作为通往其它网络的网关。因此，每台主机都必须知道与所在网络相连的路由器接口的 IP 地址。此地址称为默认网关地址。该地址既可在主机上静态配置，也可通过 DHCP 动态接收。如果将集成路由器配置为本地网络的 DHCP 服务器，它会将正确的接口 IP 地址自动发送给主机作为默认网关地址。通过这种方式，网络中的所有主机均可使用该 IP 地址将报文转发到位于 ISP 处的主机并访问 Internet 上的主机。默认情况下，通常将集成路由器设置为 DHCP 服务器。该本地路由器接口的 IP 地址会成为主机配置的默认网关地址。默认网关既可静态设定，也可通过 DHCP 设定。集成路由器担当 DHCP 服务器时，它会将自己的内部 IP 地址作为默认网关提供给 DHCP 客户端。同时，它还会为客户端设定各自的 IP 地址和子网掩码。 5.4.2地址分配 无论主机是通过以太网电缆还是通过无线连接到集成路由器，集成路由器都充当所有本地主机的 DHCP 服务器。我们称这些本地主机位于内部网络中。大多数 DHCP 服务器都配置为将私有地址（而非可路由的 Internet 公有地址）分配给内部网络中的主机。默认情况下，这可以保证不能从 Internet 直接访问内部网络。本地集成路由器接口上的默认 IP 地址配置通常是 C 类私有地址。为内部主机分配地址时，必须将其设置为与集成路由器位于同一网络中。地址的分配方式可采用静态配置或通过 DHCP 动态分配。当集成路由器配置为 DHCP 服务器时，它会在相应范围内提供地址。同时，它还会提供子网掩码信息，并以自己的接口 IP 地址作为默认网关。许多 ISP 还使用 DHCP 服务器为其客户站点上安装的集成路由器 Internet 端提供 IP 地址。分配给集成路由器 Internet 端的网络称为外部网络。当集成路由器连接到 ISP 时，它又担当 DHCP 客户端的角色，接收 Internet 接口的正确外部网络 IP 地址。ISP 通常会提供可路由的 Internet 地址，以便连接到集成路由器的主机能够访问 Internet。集成路由器是本地内部网络和外部 Internet 之间的边界。 主机可以通过几种方式连接到 ISP 和 Internet。某台主机应配置公有地址还是私有地址取决于其连接方式。直接连接有些客户只有一台计算机，通过调制解调器与 ISP 直接连接。这种情况下，