网管员必读——超级网管经验谈(第2版)第三章.ppt

第三章子网划分与IP地址管理示例 本章重点VLSM和CIDR 以及它们的主要区别子网掩码的计算方法网络地址和广播地址的计算方法子网划分的意义和原理全0子网与全1子网一个八位组内的子网划分方法跨一个八位组边界的子网划分方法多级变量长度子网划分方法公式法子网划分方法WindowsServer2003和RedHatLinux9 0系统子网DHCP服务器的配置IP管理专家和局域网查看工具的使用 3 1子网的划分基础 子网划分主要涉及到 VLSM VariableLengthSubnetMask 可变长子网掩码 CIDR ClasslessInter DomainRouting 无类别域间路由 两项主要技术 3 1 1VLSM和CIDRVLSM是一种产生不同大小子网的网络分配机制 通过向主机ID借位的方法来实现网络子网的划分 开发可变长度子网掩码的想法就是在每个子网上保留足够的主机数的同时 把一个网分成多个子网时有更大的灵活性 如果没有VLSM 一个子网掩码只能提供给一个网络 网络上的主机数就是固定的 如一个只有200个左右用户的公司 现在想对几个部分组成几个独立的子网 如果按原来的网络分类 则必须使用几个C类网络 但每个子网只有几十个用户 所以每个子网所浪费的IP地址数非常多 但如果采用了VLSM技术重新划分子网后 就可以仅使用一个C类网络来容纳多个部门子网了 而且每个部门都是独立的子网 就像以前多个C类网络一样 CIDR技术与VLSM技术是相对的 它不是划分子网 而是把多个有共同特点的多个子网组合成一个大的网络 俗称 超网 它也把原来的网络类型概念取消了 CIDR的基本思想是取消地址的分类结构 取而代之的是允许以可变长分界的方式分配网络数 它支持路由聚合 可限制Internet主干路由器中必要路由信息的增长 3 1 2IP地址寻址规则 在IP地址寻址中 网络ID必须遵循以下规则 网络ID必须唯一 网络ID不能以数字127开头 指的是网络ID的第一个8位的十进制不能为127 在A类地址中 首段为127的网络保留给内部环路测试用的 默认为本机地址 网络ID也不能以255开头 指的是网络ID的第一个8位的十进制不能为255 因为以255开头的网络地址用作广播地址 网络ID也不能以0开头 指的是网络ID的第一个8位的十进制不能为0 因为以0开头的网络地址表示该地址是本地主机 在IP地址寻址中 主机ID也有相应的规则 主机ID在同一网络内必须是唯一 主机ID的各个位不能都为1 因为所有主机位都为1的地址是该主机所在网络的广播地址 而非主机的地址 主机ID的各个位也不能都为0 因为所有主机位都为0的地址是网络地址 而非主机地址 3 1 3划分子网的意义 划分子网的意义主要体现在以下几个方面 减少广播所带来的负面影响 提高性能的整体性能 节省了IP地址资源 但不是绝对的 增强网络的安全性便于维护与管理 具体内容参见书中介绍 3 1 4 全0子网 与 全1子网 在重新划分子网后 第一个子网称之为 全0子网 是指所划分的子网ID位全为 0 最后一个子网称之为 全1子网 是指所划分的子网ID位全为 1 按照RFC950参考规定 划分子网后 只有n 2个可用的子网 n表示总的子网数 第一个和最后一个子网不可用 全0和全1这两个子网不能用是源于最初的RFC950规定 但在后来RFC1878规定中已经被废止了 也就是说 现在完全可以使用全0和全1子网 而且在Cisco路由器中可以通过ipsubnet zero命令配置来实现全0子网可用 之所以不能用第一个全0子网和最后一个全1子网 为的就是避免全0子网的网络地址或全1子网的广播地址分别与没有划分子网前网络地址或广播地址相冲突 具体原理分析参见书中介绍 3 2子网掩码 3 2 1子网掩码基础子网掩码与IP地址一样 也是一个包括8位的4段 共32个二进制位的地址 在二进制形式中 把对应于IP地址中网络ID位全部用1表示 而对应IP地址中的主机ID位全部用0表示 就构成了一个与IP地址对应的子网掩码 子网掩码的作用 就是用来屏蔽IP地址中网络ID 或者主机ID部分 以区别网络地址和主机地址 在没有重新划分子网前 三个主要的IP地址类 总共五类 其中三类用来组建网络的 参见书中表3 1 型均有对应的默认子网掩码 那就是A类的255 0 0 0 B类的255 255 0 0 C类的255 255 255 0 3 2 2子网掩码类型 1 缺省子网掩码这是未划分子网的情况下各主机IP所使用的子网掩码 此时的IP地址结构为 网络ID 主机ID 根据子网掩码的定义 那就是对应IP地址的网络ID全置1 主机ID全置0 由此可得出 A类网络缺省子网掩码 255 0 0 0B类网络缺省子网掩码 255 255 0 0C类网络缺省子网掩码 255 255 255 02 自定义子网掩码在将一个网络划分为几个子网后 就需要为每一段分配不同的网络ID或子网ID了 实际上其中的子网ID就是使用了原来主机ID的一部分 所以主机ID就包括两个部分 子网ID和子网主机ID 这样一来 IP地址就由三个部分组成 网络ID 子网ID 子网主机ID 如下页图所示 划分子网后可连接的主机数就少了 因为它要占用一部分原来的主机ID位 所以我们就不能说像255 255 255 0这样的子网掩码就一定是C类网络的子网掩码了 因为A B网络经过重新子网划分后的子网掩码也可以是255 255 255 0 对于A类网络的IP地址 本来是前8位表示网络ID 后24位表示主机ID 但使用子网掩码重新划分子网后 255 255 255 0这个子网掩码可表示为前8位为网络ID 中间16位用于子网ID 最后8位为主机ID 对于B类网络的IP地址 本来是前16位表示网络ID 后16位表示主机ID 但使用子网掩码重新划分子网后 255 255 255 0这个子网掩码可表示为前16位为网络ID 中间8位用于子网ID 最后8位为主机ID 3 2 3子网掩码的作用 子网掩码是可以屏蔽掉IP地址中的一部分 从而区分IP地址中的网络部分与主机部分 同时 子网掩码与IP地址结合使用 可以区分出一个网络地址的网络ID和主机ID 具体示例参见书中介绍 3 2 4子网中的子网掩码计算这里介绍了两种子网掩码的计算方法 幂次法和二进制转换法 幂次法主要包括两步 将要划分的子网数 m 转换为2的n次方 将IP地址中主机ID部分的前n位化为子网ID 并转换为十进制 二进制转换法主要包括以下三步 确定物理网段的数量 m 并将其转换为二进制数 并确定位数n 按照原来IP地址的类型写出其默认子网掩码的二进制代码 将子网掩码中与主机ID的前n位全部置1 其余位置置0 具体示例参见书中介绍 3 3 广播地址和网络地址计算 广播地址 是用来同时向网上所有主机发送报文的地址 不管物理网络特性如何 TCP IP协议规定 广播地址 是主机ID部分全为 1 的IP地址 广播地址是网络中的 网络ID 最大的主机ID 而 网络地址 则可通过IP地址与子网掩码进行逻辑 与 运算得出 网络地址与子网掩码一起共同决定具体的网络 3 3 1二进制取 与 法这种方法的基本步骤如下 首先将这个IP地址和子网掩码换算成二进制代码 按位进行 与 逻辑运算后 得到网络地址 计算广播地址 广播地址就是 网络ID 最大的主机ID 3 3 2子网掩码分析法 它是根据子网掩中第一个非255的八位数组的值来计算的 如果子网掩码中只有一个非255的八位数组 则可以直接用256减去这个非255的八位数组值 即可直接得到每个子网所容纳的主机数 也是子网地址范围大小 或者说是地址块大小 然后根据给出的IP地址取与地址块大小倍数最接近的地址就可得该IP地址所在子网的网络地址了 如告诉IP地址为202 112 14 37 子网掩码为255 255 255 240 由此可以得出地址块大小为256 240 子网掩码中第一个非255的八位组值 16 根据这个地址块大小就可以知道 这个子网的地址范围是16 202 112 14 37这个地址所在子网一定是在16的倍数 与37最接近的16的倍数就是32 由此可以得到该地址所在子网的网络地址为202 112 14 32 广播地址是下一个网络地址 1 即202 112 14 48 1 即202 112 14 47 如果子网掩码中有多个非255的八位组 则肯定只有一个既非255 又非0的八位组 则地址块大小是先用256减去这个八位组的值 然后再用256减去那些值为0的八位组 最后用它们的差值相乘即是地址块大小 随后的计算方法就与前面介绍的单个非255八位组的计算方法一样 具体内容参见书中介绍 3 3 3地址前缀法求网络地址 在开始IPv4子网划分实际操作之前 应当确定对应IPv4地址的网络ID 网络ID通常是由一个IPv4地址和一个前缀长度或一个IPv4地址和一个子网掩码决定的 网络地址其实就是 网络ID 全为0的主机ID 组成 本节将向介绍在前缀长度表示为前缀长度表示形式和点分十进制 子网掩码 表示形式时如何确定IPv4地址配置的网络ID 基本步骤就两步 确定前缀长度表示形式IP地址的网络ID确定子网掩码表示形式IP地址的网络ID 3 4子网划分机制 3 4 1CIDR地址前缀表示法使用CIDR时 每个IP地址都有网络前缀 它的表示方法就是 网络地址 地址前缀 中间用反斜杠隔开 如192 30 250 00 18 112 168 78 0 24等 其中的 192 30 250 00 和 112 168 78 0 表示网络地址本身 而 18 和 24 表明头18位 或者24位是地址的网络ID部分 而其它14位 或者8位代表主机ID位 而如果按传统的划分方法 192 30 250 00仅为一个C类地址段 而112 168 78 0是一个B地址段 但重新划分后 192 30 250 00 18就不再是一个标准的C类网段 112 168 78 0 24也不再是一个标准的B类网段了 CIDR的优点解决了困扰传统IP寻址方法的两个问题 一是因为以较小增量单位分配地址 这就减少了浪费的地址空间 二是还有可伸缩性优点 路由器能够有效地聚合CIDR地址 3 4 2定义前缀长度 划分子网时可按照以下准则来确定新的前缀长度所用的位数 1 确定目前和将来需要的子网数 2 在以下情况下 请在划分子网时使用更多的位 每个子网永远不会需要剩余位数所允许的那么多主机 子网的数目会增长 需要从主机ID借用额外的位 可使用以下方法来确定任意子网划分方案的每个子网的最大主机数目 1 通过从32中减去子网前缀长度来确定为主机ID保留的位数m 2 用表达式2m 2计算出每个子网的最大主机数目 划分子网之前需要明白以下两个方面 确认所需要的网络ID数 注意每个子网需要一个网络号 每个广域网需要有一个网络号 确认每个子网所需要的主机ID数 每台TCP IP主机需要一个主机地址 路由器的每个接口需要一个主机地址 具体内容参见书中介绍 3 4 3子网划分原理 略 3 5在一个八位组内划分子网 在一个八位组内划分子网的过程主要包含两步 1 定义子网网络ID 2 定义每个子网网络ID的可用IPv4地址的范围3 5 1定义子网网络ID基本步骤如下 1 根据所选的用于划分子网的位数n 创建一个包含2n行 3列的表 2 在第一行中 将子网位设置为全0 将整个子网网络ID转换为点分十进制表示形式 所得的结果就是使用新的前缀长度的原始网络ID 3 在下一行中 按二进制的方式递增子网位内的值 4 将二进制结果转换为点分十进制表示形式 5 重复步骤3和4 直到完成该表 具体示例参见书中介绍 3 5 2定义各个子网的IPv4地址的范围 在定义给定的地址前缀的有效IPv4单播地址范围时 应使用下面的标准操作方法 对于范围内的第一个IPv4单播地址 请将地址中的最低序位设置为1 而将地址中的所有其他主机位均设置为0 对于范围内的最后一个IPv4单播地址 请将地址中的最低序位设置为0 而将地址中所有其他主机位均设置为1 要使用二进制方法为一组子网网络ID定义有效IPv4地址的范围 请执行以下步骤 1 根据所选的用于划分子网的主机位数n 创建一个包含2n行 3列的表 第一列存放子网编号 从1开始 第二列存放子网网络ID的第一个和最后一个IPv4地址的二进制表示形式 第三列存放子网网络ID的第一个和最后一个IPv4地址的点分十进制表示形式 2 在第一行 实际表格中为第二行 的第二列中 第一个IPv4地址是除最后一个主机位以外的所有其他主机位均为0的地址 最后一个IPv4地址是除最后一个主机位以外的所有其他主机位均为1的地址 3 在第一行 实际表格中为第二行 的第三列中 将二进制表示形式转换为点分十进制表示形式 4 为每一行重复步骤2和3 直到完成该表 具体示例参见书中介绍 3 6跨一个八位位组边界划分子网 与在一个八位位组内划分子网的过程一样 跨一个八位位组边界划分子网的过程也包括两个步骤 1 定义子网网络ID 2 定义每个子网网络ID的可用IPv4地址的范围3 6 1定义子网网络ID要跨一个八位位组边界划分子网 请执行以下操作 1 根据用于划分子网的主机位数n 创建一个包含2n行 3列的表 第一列存放子网编号 从1开始 第二列存放32位的子网网络ID的单个十进制数表示形式 第三列存放子网网络ID的点分十进制表示形式 2 使用下面的公式 将被划分子网的网络ID w x y z 从点分十进制表示形式转换为N 32位的网络ID的十进制表示形式 N w 16777216 x 65536 y 256 z 3 使用I 2h这一公式计算出递增值I 其中的h是剩余的主机位数 4 在第一行中 将子网网络ID的十进制表示形式N放置在第二列中 将使用新的前缀长度的子网网络IDW X Y Z 注意与前面小写的地址相区别 放置在第三列中 5 在下一行中 用上一行的十进制表示形式加上I 然后将结果放置在第二列中 6 使用下面的公式将子网网络ID的十进制表示形式转换为点分十进制表示形式 W X Y Z 其中 s是子网网络ID的十进制表示形式 W int s 16777216 X int smod 16777216 65536 Y int smod 65536 256 Z smod 256 7 重复步骤5和6 直到完成该表 具体示例参见书中介绍 3 6 2定义各个子网的IPv4地址的范围 用以下步骤确定各个子网网络ID的可用主机ID的范围 1 根据用于划分子网的主机位数n 创建一个包含2n行 3列的表 第一列存放子网编号 从1开始 第二列存放子网网络ID的第一个和最后一个IPv4地址的十进制表示形式 第三列存放子网网络ID的第一个和最后一个IPv4地址的点分十进制表示形式 2 根据剩余的主机位数h 计算出递增值J J 2h 2 3 第一个IPv4地址是N 1 其中N指子网网络ID的十进制表示形式 最后一个IPv4地址是N J 4 使用下面的公式将第一个和最后一个IPv4地址从十进制表示形式转换为点分十进制表示形式 W X Y Z 其中s是第一个或最后一个IPv4地址的十进制表示形式 W int s 16777216 X int smod 16777216 65536 Y int smod 65536 256 Z smod 256 5 为表中的每一行重复步骤3和步骤4 具体示例参见书中介绍 3 6 3多级变量长度子网划分 基于类的网络ID或无类别的网络ID中可以存在不同大小的子网 这一规则正好适合现实世界中的环境 因为在现实中 组织网络中包含的主机数量不同 需要使用不同大小的子网来避免浪费IPv4地址 从IPv4网络ID创建和部署不同大小子网的做法叫做可变长度子网划分 这种技术使用可变前缀长度 可变前缀长度又叫做可变长度子网掩码 VLSM 可变长度子网划分是一种使用不同大小的前缀长度分配子网网络ID的技术 不过 所有子网网络ID都是唯一的 可以通过它们对应的前缀长度将它们彼此区分开 此处所说的可变长度子网划分 实际上是对以前划分的子网网络ID进行再次子网划分 子网划分的原则也是让固定网络ID部分保持不变 选择一定数量的主机位来表示子网 使用可变长度子网划分时 被进行子网划分的网络ID是以前已经被划分过的子网 具体示例参见书中介绍 3 7子网划分的公式法 3 7 1划分方法说明先对以下几个变量进行如下说明 Subnet block 可分配子网块大小 指在某一子网掩码下的子网的块数 Subnet num 实际可分配子网数 指可分配子网块中要剔除首 尾两块 这是某一子网掩码下可分配的实际子网数量 IP block 每个子网可分配的IP地址块大小 IP num 每个子网实际可分配的IP地址数 注意每个子网的首 尾IP地址必须保留 一个为网络地址 一个为广播地址 结果为IP block 2 M 子网掩码 netmask 的最后一个位位地址段值 它们之间的公式如下 M 256 IP blockIP block 256 Subnet block 反之Subnet block 256 IP blockIP num IP block 2Subnet num Subnet block 23 7 2子网划分示例 略 3 7 3子网划分实用经验 本节介绍了以下几方面在子网划分中积累的实用经验 如何判断是否做了子网划分 如何计算子网地址 网络ID 子网ID 如何计算主机地址 主机ID 如何计算子网数量 如何计算主机数量 子网内主机数量 子网掩码为255 255 255 248的网络 每个子网能够连多少个主机 一个A类网络和一个B类网络的子网ID分别为16位1和8位1 这两个网络的子网掩码有何不同 子网掩码为255 255 0 255个A类网络 是否为一个有效的子网掩码 单位分配到一个B类IP地址 其网络ID为129 250 0 0 该单位有4000台机器 分布在16个不同在地点 如选用子网掩码为255 255 255 0是否合适 具体内容参见书中介绍 3 8为IPv6划分子网 对于全局地址 Internet编号分配机构 IANA 或ISP会分配一个前48位均为固定位的IPv6地址前缀 若要对48位全局地址前缀的子网ID字段进行子网划分 需要执行一个包含两步的过程 1 确定用于子网划分的位数 2 枚举出新的子网网络前缀 3 8 1确定用于子网划分的位数用于子网划分的位数决定着可以分配给的网络各部分 基于地理区划或部门分类 的新子网网络前缀的可能的数量 在分层路由基础结构中 必须确定在层次结构的各层需要的网络前缀数 进而确定各层需要的位数 在层次结构中任何给定的层上 许多位已被层次结构中的上一层固定了 f 许多位被用来在层次结构中的当前层进行子网划分 s 还有许多位留给层次结构中的下一层使用 r 下面这个等式始终成立 f s r 16 书中图3 6显示了这种关系 具体内容参见书中介绍 3 8 2枚举子网网络前缀 根据用于子网划分的位数 必须列出新的子网网络前缀 可以使用下面两种主要方法之一 使用子网ID和递增值的十六进制表示形式来枚举新的子网网络前缀 使用子网ID和递增值的十进制表示形式来枚举新的子网网络前缀 这两种方法产生的结果相同 都会生成子网网络前缀的一个枚举列表 要使用十六进制方法创建子网网络前缀的枚举列表 请执行以下步骤 1 根据为子网划分选择的位数s和进行子网划分的网络前缀的前缀长度m 计算以下各值 f m 48 f是子网ID中已固定的位的数目 n 2s n是将获得的网络前缀的数目 I 216 f s i是以十六进制表示的各个连续子网ID之间的递增值 P m s P是新的子网网络前缀的前缀长度 2 创建一个包含n行 两列的表 第一列存放网络前缀编号 从1开始 第二列存放新的子网网络前缀 3 将使用新的前缀长度的原始网络前缀放在第一行的第二列中 例如 根据进行子网划分的子网ID的十六进制值F 子网网络前缀为 48位前缀 F P 4 将站点本地地址或全局地址的子网ID部分中的值加上i 将结果放在下一行的第二列中 例如 在第二行中 子网前缀为 48位前缀 F i P 5 重复步骤4 直到完成该表 要使用十进制方法创建子网网络前缀的枚举列表 请执行以下步骤 1 根据用于子网划分的位数s 进行子网划分的网络前缀的前缀长度m和进行子网划分的子网ID的十六进制值F 计算以下各值 f m 48 f是子网ID中已固定的位的数目 n 2s n是将获得的网络前缀的数目 I 216 f s i是各个连续子网ID之间的递增值 P m s P是新的子网网络前缀的前缀长度 D F的十进制表示形式 2 创建一个包含n行 三列的表 第一列存放网络前缀编号 从1开始 第二列存放新的子网网络前缀的子网ID部分的十进制表示形式 第三列存放新的子网网络前缀 3 将子网ID的十进制表示形式 D 放在第一行的第一列 将子网前缀 48位前缀 F P放在第一行的第二列 4 用子网ID十进制表示形式的值加上i 将结果放在下一行的第二列 例如 第二行的子网ID的十进制表示形式是D i 5 在第三列中 将子网ID的十进制表示形式转换为十六进制 并构造前缀 48位前缀 SubnetID P 例如 在第二行中 子网网络前缀为 48位前缀 D i 转换为十六进制 P 6 重复步骤4和5 直到完成该表 以上方法的具体示例参见书中介绍 3 9CIDR子网聚合 3 9 1问题的提出还是要从最原始的IPV4协议来说起 IPv4地址的32位地址空间被分成了五类 也就是A B C D E五类 每类地址包括两个部分 第一个部分识别网络 也就是网络ID 第二个部分用来识别该网络上某个机器的地址 也就是主机ID 它们采用点分十进制记法表示 有四组数字 每组代表八位 中间用句点隔开 地址分类法带来了两个问题 最大一个问题就是这些类别无法体现顾客的需求 A类地址实在过大 以至浪费了大部分空间 另一方面 C类网络对大多数组织来说实在太小 这意味着大多数组织会请求B类地址 但又没有足够的B类地址可以满足需求 另外 随着网络地址数量不断增加 ISP和运营商面临的棘手问题也是越来越多 由于连接的网络非常之多 所以主干网路由器必须跟踪每一个A类 B类和C类网络 这样就可能需要建立几万条的路由表信息 这么复杂的路由表 给路由器带来相当巨大的工作负荷 严重制约了路由器网络数据转发的性能 第二个问题就是浪费了地址空间 小规模独立网络 如常见的小型办公室网络通常在50个节点左右 获得C类地址后 剩余的200来个地址却闲置不用 3 9 2CIDR子网聚合原理 CIDR地址包括标准的32位IP地址和用正斜线标记的前缀 因为各类地址在CIDR中有着类似的地址群 两者之间的转移就相当简单 所有标准的A类网络可以转换成 8CIDR表项目 标准的B类网络可以转换成 16 标准的C类网络可以转换成 24 聚合的原理就是把各子网的网络ID 子网ID部分列出