IP地址与地址解析.ppt

第三章I 地址与地址解析 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols2 本章主要内容 主机 主机地址与IP地址子网划分与子网掩码IPv6的主要特点地址解析技术 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols3 主机 host 连接到Internet上 并且运行了TCP IP协议的任何计算机 主机地址 hostaddress 由于Internet是一个巨大的网络系统 为了实现数据通信 在其中进行通信或信息交换的基本要求就是网上的每台主机 如计算机 路由器等 都要有一个唯一的可标识的编号或名字 这一标识符称为主机地址 采用 IP地址 和 域名地址 3 1IP地址 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols4 物理地址 即主机的网卡地址 绝大多数物理地址都是以太网卡地址 它有48位 以16进制的方式表示 例如 02 3f 8d 56 3e 40IP地址 在Internet上为每台主机指定的地址称为IP地址 它是在TCP IP协议中所规定的Internet的每个节点都要有的统一格式的地址 是Internet主机地址的一种数字型标识 是一个机器可识别的地址 例如 202 118 224 153注意 一台计算机可以有多个IP地址 但一个IP地址不能由两台或两台以上计算机共同拥有 3 1IP地址 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols5 它是Internet上通用的地址格式通过IP地址使得网上的计算机能够彼此交换信息 它采用32位二进制地址格式进行编码 IP地址能贯穿于整个网络 而不管每个具体的网络是采用何种技术或结构 Internet上每台主机都必须有IP地址IP地址是识别Internet上每台主机包括计算机 路由器等 的端口地址 凡是上网的计算机都必须分配有IP地址 否则无法进行通信 IP地址是唯一的IP地址是识别Internet上每台主机的身份证 因此每台计算机的IP地址在全网中是唯一的 IP地址的含义和特点 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols6 3 1IP地址 一个IP地址不是用来标识一台特定的计算机 而是说每个IP地址用来标识一台计算机和一个网络的连接 如果一台计算机与多个网络连接 如路由器 那么它必需为每一个连接分配一个IP地址 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols7 IP地址的获取方法 IP地址由Internet协会 ISOC 下的NIC中的编号管理局 IANA 统一分配并制定有关政策 所有的IP地址都要由这一国际组织 NIC统一分配 目前共有三个这样的NIC InterNIC 负责北美及其它地区ENIC 负责欧洲地区APNIC 负责亚太地区APNIC总部设在日本东京大学 我国申请IP地址都要经过APNIC 具体可通过向国内一些代理机构提出 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols8 IP地址的格式 或表示法 二进制数表示的IP地址由一个32位的二进制数组成 分为4段 每段8位 如 11001010110000000010000001100100点分十进制表示 将上述分为4段的二进制数 每段用相应的十进制数表示 段与段之间用 隔开 如 上面的32位二进制的IP地址所对应的十进制数标识为 202 192 32 100说明 从点分十进制的IP地址表示法可知 每个十进制数的取值范围是0 255 因此Internet上最多可容纳的主机数为 2564 43亿 台 0 0 0 0表示某个未知地址主机 只用于指示源地址 表示本网络中的一个地址 255 255 255 255用于目的地址 表示广播至局域网所在的全部机器 该分组不会离开本机所在网络 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols9 IP地址所包含的信息 IP地址是采用层次方式按逻辑网络的结构进行划分的 因此在IP地址中包含了两部分信息 网络地址 NetworkID 标识了主机所在的逻辑网络 主机地址 hostID 用来识别该网络中的一台主机 IP地址的类别 为了根据不同的网络规模来合理分配IP地址 通常将IP地址分为三个基本类 A类 B类 C类 还有2个特殊类 D类和E类 IP地址的分类 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols10 IP地址的分类 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols11 IP地址的分类 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols12 IP地址的分类 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols13 全 1 和全 0 的地址是专用的 不能进行分配 每一台主机都必须有一个非零的主机标识 全 1 的主机标识保留作为该网络的广播地址 全 0 的主机标识用于代表该网络本身 127 0 0 0是保留地址 不能作为网络地址 127 0 0 1称为自返或回送 Loopback 地址 用于回路测试 主机标识的有关规定 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols14 IP地址的分类 为用户专网保留的地址 全 0 和全 1 的地址保留 A类 10 0 0 0 10 255 255 255B类 172 0 0 0 172 255 255 255C类 192 168 0 0 192 168 255 255 类别起始位第一节范围网络数每个子网主机数主机总数A类 0 1 127126167772142113928964B类 10 128 19116384655341073741824C类 110 192 2232097152254536870912D类 1110 广播地址 供特殊协议向选定的节点发送信息用 E类 1111 保留地址 总计21136623724541700 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols15 IP地址的例子 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols16 关于路由器地址 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols17 特殊IP地址 广播地址永远不是源地址Loopback地址永远不会出现在一个网络上 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols18 私有网络地址 PrivateNetworkAddress RFC1597 为那些没有连接到Internet或者安装了防火墙的组织 预留了一系列私有网络地址 私有网络地址包括 A类10 0 0 0 10 255 255 255B类172 16 0 0 172 31 255 255C类192 168 1 90 192 168 254 0 RFC INTERNET的工作文件 其主要内容为TCP IP协议标准和相关文档的一系列注释和说明 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols19 3 2子网 subnet 在现有的三类网络的基础上将网络作进一步划分所得到的网络成为子网 即在内部可以直接通信的IP主机的集合每一个子网是一个完全独立的网络 子网之间 子网与一般的网络之间必须通过路由器作为网关来实现互联 划分子网有利于提高地址空间的实际利用率 在以太网的环境下有利于提高子网内的传输带宽 路由器通过子网掩码识别子网的地址 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols20 C类网络的子网划分 将主机标识位划分出若干位作为子网标识 子网标识位可由子网掩码确定 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols21 子网掩码 subnetmask 子网掩码是一个32比特的二进制代码 它使接收方很容易从IP数据包的IP地址中分出地址的网络标识部分和主机标识部分 掩码解释如果某一位是打开的 1 地址中相应的位解释为网络位 如果该位是关闭的 0 地址中相应的位解释为主机地址 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols22 标准子网掩码 将某类IP地址的子网掩码与对应的IP地址进行 与 运算 则可获得IP地址中的网络标识部分 以分辨出不同的网络 将某类IP地址的子网掩码与对应的IP地址进行 或 运算 则可获得IP地址中的主机标识部分 以分辨出不同的主机 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols23 子网划分与子网掩码 1286432168421十进制值子网数 10000000 128011000000 1922 4 2 11100000 2246 8 2 11110000 24014 16 2 11111000 24830 32 2 11111100 25262 64 2 11111110 254126 128 2 11111111 255 以C类网络为例 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols24 注 在子网主机数中 已除去全 0 的子网代号和全 1 的广播地址 子网划分与子网掩码 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols25 C类网络子网划分示例 设要将某一C类网 202 118 250 0 划分出20个子网 每个子网至少可容纳5台主机 根据上页表中可能的划分方法 应选择5位子网代码 相应地 子网掩码 255 255 255 248子网数 30每个子网可容纳的主机数 6子网1 202 118 250 0255 255 255 248子网2 202 118 250 8255 255 255 248子网3 202 118 250 16255 255 255 248 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols26 一道试题 已知某主机地址210 222 5 121 子网掩码为255 255 255 248求 该主机所在子网的子网地址 该子网可用的主机地址范围 该子网的子网广播地址 解答 子网掩码248 11111000 主机号121 01111001 因此可判断 子网网络号为210 222 5 120 可用地址01111001 01111110 121 126 子网广播01111111 210 222 5 127 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols27 关于子网的总结 用于把一个大型的网络划分为若干小型网络使用子网编码来区分子网号和主机号Internet上的Router不需要知道子网掩码的信息组织内的Router负责解释子网掩码 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols28 一台主机要加入Internet 所需设置的主要参数有 主机的IP地址子网掩码或网络掩码缺省的路由器的IP地址域名服务器的IP地址 主机入网的主要参数 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols29 1 IPv4与IPv6IPv4 指Internet协议第4版 于1970年发布 它为整个Internet的应用和发展作出了巨大的贡献 IPv6 指Internet协议第6版 未来的Internet协议2 IPv4的主要缺陷随着Internet用户的迅速增加 导致32位的IP地址空间即将用尽 现有格式的IP地址已不能满足需求 IPv4已很难满足Internet上各种应用的需求 如实时话音和视频对数据的延时时间要求短 要求鉴别信息发送者等 3 3IP协议的新发展 IPv6 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols30 3 IPv6的新增特点 1 更大的地址空间 IPv6将原来的32位IP地址扩展到了128位 使得IP地址空间足以适应数十年全球Internet的发展 2 更灵活的报头格式 将原来IPv4的固定报头格式换成一组灵活可选的报头 3 增强的报头选项 允许数据报包含可选的控制信息 以提供一些新功能 4 增强了对音频和视频的支持 提供了一些新机制可很好地支持实时话音和视频应用 5 协议的可扩展性 3 3IP协议的新发展 IPv6 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols31 1 IPv6数据报的格式在IPv6的数据报中 最前面是一个基本报头 紧接着可以有多个扩展 也可以没有 然后是数据区 见下图 或者说 一个最小的IPv6数据报可以只含有基本头部和数据区 由于原来IPv4数据报报头的选项和其它一些固定字段被移到了IPv6的扩展报头里 因此IPv6基本报头中所含信息要比IPv4少 3 3IP协议的新发展 IPv6 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols32 1 IP地址的 冒分十六进制 表示法在IPv6中 每个IP地址占16字节 128位 是IPv4的4倍 如果仍然采用传统的IPv4中的 点分十进制 表示法来描述一个128位的IP地址 无论在阅读 输入还是管理上都会十分不便 为了减少书写一个IP地址所用的字符数 采用了一种所谓的 冒分十六进制 ColonHexadecimalNotation 简写为 ColonHex 表示法 就是每16位为一组 用十六进制表示 并用冒号分隔 共分8段 如一个128位的IPv6的IP地址可表示为 69DC 8864 FFFF FFFF 0 1280 8C0A FFFF 3 3IP协议的新发展 IPv6 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols33 2 IP的 零压缩 表示法在IPv6中 还有一种 零压缩法 ZeroCompression 可进一步减少IP地址的字符个数 就是用两个冒号代表连续的 0 如 FDC6 0 0 0 0 0 0 B0CA 可写成 FDC6 B0CA 3 与IPv4地址的兼容为了与IPv4地址的兼容 IPv6把现有IPv4的IP地址全部映射到了IPv6的地址空间中 IPv6规定 若开始80位是全 0 接着16位是全 1 或全 0 则它的低32位就是一个IPv4的地址 3 3IP协议的新发展 IPv6 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols34 3 4地址解析 网络上的主机地址在Internet上的每一台主机 都可能同时具备以下3个地址标识 域名 这是一个具有一定含义又便于记忆的名字 由授权单位认定 在Internet上是唯一的 IP地址 逻辑地址 这是一个数字型的地址 32位 由授权单位认定 在Internet上也是唯一的 物理地址 网卡地址 这是安装在主机上的网卡地址 每一块网卡都有一个全球范围内唯一的地址 48位 它存储在网卡的ROM中 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols35 3 4地址解析 第二层协议已知一个给定的本地网络N网络N中计算机C的IP地址 求计算机C的硬件地址 协议ARP AddressResolutionProtocol 相关RFC826 903 1122 1433 1868 2131 2390 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols36 3 4地址解析 协议地址是软件提供的抽象地址 物理网络硬件并不知道如何通过协议地址来定位一台计算机 地址解析的含义将IP地址与物理地址之间建立一个双向的映射关系 称为地址解析 AddressResolution When 数据包通过某个物理网络到达目的主机时数据包被Router转发时 Where 同一物理网络内 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols37 1 正向地址解析 IP地址 物理地址 在互联网中 IP及其以上各层所发出的数据都要使用IP地址进行标识 而物理网络本身不认识IP地址 故必须将IP地址映射成物理地址 才能将数据发往目的地 这一过程就是正向地址解析 2 反向地址解析 物理地址 IP地址 此映射主要用于网络中的无盘站 因为无盘站的IP地址和其它各类文件都存放在服务器上 无盘站本身只用到一个物理地址 通过RARP 使无盘站能获取自己的IP地址 也只有无盘站才使用RARP 3 4地址解析 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols38 以太网以太网最初是由XEROX公司研制而成的 是两个最为流行的网络传输系统之一 以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问 冲突检测CSMA CD CarrierSenseMultipleAccess CollisionDetection 的共享访问方案 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols39 TCP IP与以太网 以太网和TCP IP可以说是相辅相成的 以太网在一二层提供物理上的连线 使用48位的MAC地址TCP IP工作在上层 使用32位的IP地址两者间使用ARP和RARP协议进行相互转换 载波监听指在以太网中的每个站点都具有同等的权利 在传输自己的数据时 首先监听信道是否空闲 如果空闲 就传输自己的数据 如果信道被占用 就等待信道空闲 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols40 以太网MAC帧格式 目的地址 源地址 类型 数据 FCS IP数据报 字节 6 6 2 46 1500 4 标志上一层使用什么协议 MAC客户数据字段 帧检验序列 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols41 冲突检测为了防止发生两个站点同时监测到网络没有被使用时而产生冲突 以太网采用广播机制 所有与网络连接的工作站都可以看到网络上传递的数据 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols42 CSMA CD过程 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols43 一个典型的在以太网中客户与服务器使用TCP IP协议的通信 用户进程FTP客户FTP服务器应用层 内核中的协议栈TCPTCP传输层 内核中的协议栈IPIP网络层 以太网驱动程序以太网驱动程序数据链路层 以太网 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols44 网络接口卡是使工作站连接到网络 并与网络中其他计算机相互通信的设备 好几家公司 比如3Com IBM Intel SMC和Xircom 都生产网络接口卡 各家生产的网络接口卡规格不一样 但都满足网络和工作站的需求 下图即为一块典型的工作站网络接口卡 注意 由于不同的PC和网络需要不同类型的网络接口卡 所以不能想当然地认为某工作站上运行正常的网络接口卡在别的工作站上也能照样运行 网络接口卡 网络接口卡 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols45 各种不同的以太网网络接口卡 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols46 以太网的广播通讯 在以太网中 所有的通讯都是广播的 通常在同一个网段的所有网络接口都可以访问在物理媒体上传输的所有数据 网卡的MAC地址每一个网络接口都有一个唯一的硬件地址 这个硬件地址也就是网卡的MAC地址 大多数系统使用48比特的地址 这个地址用来表示网络中的每一个设备一般来说每一块网卡上的MAC地址都是不同的每个网卡厂家得到一段地址 然后用这段地址分配给其生产的每个网卡一个地址 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols47 在正常的情况下 一个网络接口应该只响应这样的两种数据帧 1 与自己硬件地址相匹配的数据帧 2 发向所有机器的广播数据帧 数据的收发是由网卡来完成的网卡接收到传输来的数据 网卡内的单片程序接收数据帧的目的MAC地址 根据计算机上的网卡驱动程序设置的接收模式判断该不该接收 认为该接收就接收后产生中断信号通知CPU 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols48 认为不该接收就丢掉不管 所以不该接收的数据网卡就截断了 计算机根本就不知道CPU得到中断信号产生中断 操作系统就根据网卡的驱动程序设置的网卡中断程序地址调用驱动程序接收数据驱动程序接收数据后放入信号堆栈让操作系统处理 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols49 网卡来说一般有四种接收模式 广播方式 该模式下的网卡能够接收网络中的广播信息 组播方式 设置在该模式下的网卡能够接收组播数据 直接方式 在这种模式下 只有目的网卡才能接收该数据 混杂模式 在这种模式下的网卡能够接收一切通过它的数据 而不管该数据是否是传给它的 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols50 3 4地址解析 当一台主机把以太网数据帧发送到位于同一局域网上的另一台主机时 是根据48bit的以太网地址来确定目的接口的 设备驱动程序从不检查IP数据报中的目的IP地址 地址解析为两种不同的地址形式提供映射 32bit的IP地址和数据链路层使用的任何类型的地址 ARP为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols51 3 4地址解析 ARP 只包括本地网络的IP地址和硬件地址的地址对问题网络规模变大查询效率降低地址发生变化时需要更新 表查询地址解析 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols52 3 4地址解析 ARP 为IP设备提供了一个在其局域网内定位其他设备的硬件地址的机制两种基本信息请求响应解析原理ARP请求信息放在数据帧中以广播形式向网络内所有计算机发出请求信息涉及的计算机负责发回响应 其他主机不发响应响应信息直接发回请求方 不广播 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols53 正向地址解析协议工作原理示意图 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols54 3 4地址解析 ARP ARP高效运行的关键是由于每个主机上都有一个ARP高速缓存 这个高速缓存存放了最近Internet地址到硬件地址之间的映射记录 高速缓存中每一项的生存时间一般为20分钟 起始时间从被创建时开始算起 用arp a显示ARP高速缓存中所有的内容 48bit的以太网地址用6个十六进制的数来表示 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols55 3 4地址解析 ARP ARP缓存原理频繁的网络访问将可能使网络充满ARP广播信息而饱和 请求方收到ARP响应后 会在本地缓存中保存响应方的硬件地址和IP地址对 以便下次使用时避免进行广播查询 响应一方也做类似处理 只有那些已经在缓存中存储了发送系统IP地址的系统才更新缓存的登记项 其他主机忽略ARP广播 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols56 3 4地址解析 ARP ARP缓存大小缓存大小有限 内容会被不断刷新如一个客户经常访问不同的服务器并且其ARP缓存小于所连接系统数目 导致不断重写缓存内容若有上百个设备 则理论上网络被ARP广播充满而饱和出现对某一台机器 ARP缓存很小 的过多访问将导致该机器ARP缓存的作用消失大型多用户系统和高端Router一般有大缓存 几百个登记项 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols57 3 4地址解析 ARP 缓存的过期问题系统应该在ARP缓存中刷新掉那些已经闲置了一段时间的登记项缓存登记项保留时间太长容易不准确 如机器更换新的IP地址 太短则影响性能 需要太多的广播 不同厂商的ARP过期值不一样Windows95 120秒 服务器 10分钟或更多 Router 4小时出现缓存更新时 时钟重置 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols58 3 4地址解析 ARP 静态缓存许多产品提供了在缓存添加静态登记项的实现有的系统重启时清除静态登记项 然后重新加载有的系统则为永久设置 需手动改变好处网络安全策略 IP和硬件地址的绑定 避免频繁的查找缺点若系统经常移动或者频繁的重新编号则很麻烦 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols59 3 4地址解析 ARP ARP代理如果ARP请求是从一个网络的主机发往另一个网络上的主机 那么连接这两个网络的路由器就可以回答该请求 这个过程称作委托ARP或ARP代理 ProxyARP 这样可以欺骗发起ARP请求的发送端 使它误以为路由器就是目的主机 而事实上目的主机是在路由器的 另一边 路由器的功能相当于目的主机的代理 把分组从其他主机转发给它 ARP的一些变化 网络变化频繁时 经常采用 DHCPARPGratuitousARP 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols60 3 4地址解析 免费ARP 设备广播自己的硬件地址和IP地址对 以使其他设备更新 不是添加 其ARP缓存 过程发送者在请求信息的源IP和源硬件地址字段放入自己的地址在目的IP字段中放入自己的IP地址网络上其他设备听到该广播 若缓存中有该发送者的信息 更新之 重启更新计时器 更换新的硬件地址 在服务器频繁地与很多不同客户通信时非常有用 使得客户每次同服务器通信时不必重新发送请求 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols61 3 4地址解析 免费ARP 192 168 10 10发出免费ARP请求广播如果有响应则表明有IP地址冲突一些问题如果一个配置错误的主机发出G ARP请求 那么所有其他设备将更新ARP缓存 从而使用了错误的硬件地址 这样客户一直会向配置错误的主机发送信息 鲁莽的更新 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols62 ARP实用程序 ARP EXE是保持本地的ARP高速缓存所使用的一种实用程序 显示了IP地址和MAC地址解析的高速缓存信息 命令格式 ARP a 浏览ARP高速缓存 APR S IP地址 MAC地址 接口地址 添加一个静态映射给ARP缓存 ARP d IP地址 接口地址 删除一个不使用的接口地址 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols63 有关子网掩码 ARP的一个实验 河北科技师范学院蔡黔鹰 TCP IPProtocols64 实验步骤一 设置两台主机的IP地址与子网掩码 A 10 2 2 2255 255 254 0B 10 2 3 3255 255 254 0两台主机均不设置缺省网关 用arp d命令清除两台主机上的ARP表 在A与B上分别用ping命令与对方通信 分别显示 A Replyfrom10 2 3 3 bytes 32