M000 0056 IP子网规划中文版V10

1、2.1.1 IP地址介绍前面我们已经了解了TCP/IP协议的网络层的相关协议，并且已经在OSI参考模型中了解到每一个协议栈的网络层都有网络层地址，TCP/IP协议也不例外。本节重点介绍TCP/IP协议栈的网络层地址-IP地址。IP地址是进行复杂的子网规划的基础。我们前面已经学习到，数据链路层有物理地址-MAC地址，也知道，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。然而，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，我们通常使用基于软件

2、实现的网络层地址-IP地址来通信，提供更大的灵活性。在我们学习IP地址前，假定您已经掌握了二进制、十进制、十六进制的相关知识。IP地址，又称逻辑地址，和MAC地址一样，IP地址也是独一无二的。每一台网络设备用IP地址来唯一的标识。IP地址由32个二进制位组成，这些二进制数字被分为四个八位数组（octets），又称为四个字节。IP地址可以这样表示：点分十进制形式：二进制形式：十六进制形式：通常我们把IP地址表示为点分十进制形式，很少表示成十六进制形式。由于IP地址有32个二进制位，理论上可以有232个IP地址可以使用，也就是43亿个IP地址。在互联网络上，如果每一台三层网络设备，例如路由器，为了

3、彼此通信，储存每一个节点的IP地址，可以想象路由器会有多么大的路由表，这对路由器来说是不可能的。为了减少路由器的路由表数目，更加有效的进行路由，清晰的区分各个网段，决定对IP地址采用结构化的分层方案。IP地址的结构化分层方案将IP地址分为网络部分和主机部分，区分网络部分和主机部分需要借助地址掩码（Mask）。网络部分位于IP地址掩码前面的连续二进制“1”位，主机部分是后面连续二进制“0”位。IP地址的分层方案类似于我们常用的电话号码。电话号码也是全球唯一的。例如对于电话号码，前面的字段010代表北京的区号，后面的字段82882484代表北京地区的一部电话。IP地址也是一样，前面的网络部分代表一

4、个网段，后面的主机部分代表这个网段的一台设备。IP地址采用分层设计，这样，每一台第三层网络设备就不必储存每一台主机的IP地址，而是储存每一个网段的网络地址（网络地址代表了该网段内的所有主机），大大减少了路由表条目，增加了路由的灵活性。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。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。例如，前面所述的A类IP地址：，网络部分地址为10，主机部分地址为。那么如何区分IP地址的网络地址和主机地址呢？最初互联网络设计者根据网络规模大小规定了地址类，把IP地

5、址分为A、B、C、D、E五类。A类IP地址的网络地址为第一个八位数组（octet），第一个字节以“0”开始。因此，A类网络地址的有效位数为8-1=7位，A类地址的第一个字节为1126之间（127留作它用）。例如、等为A类地址。A类地址的主机地址位数为后面的三个字节24位。A类地址的范围为，每一个A类网络共有224个A类IP地址。B类IP地址的网络地址为前两个八位数组（octet），第一个字节以“10”开始。因此，B类网络地址的有效位数为16-2=14位，B类地址的第一个字节为128191之间。例如、等为B类地址。B类地址的主机地址位数为后面的二个字节16位。 B类地址的范围为，每一个B类网络共

6、有216个B类IP地址。C类IP地址的网络地址为前三个八位数组（octet），第一个字节以“110”开始。因此，C类网络地址的有效位数为24-3=21位，C类地址的第一个字节为192223之间。例如、等为C类地址。C类地址的主机地址部分为后面的一个字节8位。 C类地址的范围为，每一个C类网络共有28=256个C类IP地址。D类地址第一个8位数组以“1110”开头，因此，D类地址的第一个字节为224239。D类地址通常作为组播地址。关于组播地址，在HCSE交换课程会有讨论。E类地址第一个字节为240255之间，保留用于科学研究。我们经常用到的是A、B、C三类地址。IP地址由国际网络信息中心组织（

7、International Network Information Center，InterNIC）根据公司大小进行分配。过去通常把A类地址保留给政府机构，B类地址分配给中等规模的公司，C类地址分配给小单位。然而，随着互联网络飞速发展，再加上IP地址的浪费，IP地址已经非常紧张。现在进行IP地址规划时，我们通常在公司内部网络使用私有IP地址。私有IP地址是由InterNIC预留的由各个企业内部网自由支配的IP地址。使用私有IP地址不能直接访问Internet。原因很简单，私有IP地址不能在公网上使用，公网上没有针对私有地址的路由，会产生地址冲突问题。当访问Internet时，需要利用网络地址转

8、换（NAT，Network Address Translation）技术，把私有IP地址转换为Internet可识别的公有IP地址。InterNIC预留了以下网段作为私有IP地址：A类地址10.0.0.010.255.255.255 ; B类地址172.16.0.0172.31.255.255 ; C类地址等。使用私有IP地址，不仅减少了企业用于购买公有IP地址的投资，而且节省了IP地址资源。但是这并不能完全解决IP地址短缺问题，目前已经正式提出了IPv6协议。IPv6地址有128个二进制位，共约2128个IP地址，完全可以解决IP地址紧张问题。IP地址用于唯一的标识一台网络设备，但并不是每一

9、个IP地址都是可用的，一些特殊的IP地址被用于各种各样的用途，不能用于标识网络设备。对于主机部分全为“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，私有地址等。对于主机部分全为“1”的IP地址，称为网段广播地址，广播地址用于标识一个网络的所有主机。例如，等，路由器可以在或者等网段转发广播包。广播地址用于向本网段的所有节点发送数据包。对于网络部分为127的IP地址，例如1往往用于环路测试目的。全“0”的IP地址代表所有的主机，华为Quidway系列路由器用地址指定默认路由。全“1”的IP地址，也是广播地址，但代表所有主机，用于向网络的所有节点发送数据包。这样的广播不能被

10、路由器转发。如上所述，每一个网段会有一些IP地址不能用作主机IP地址。下面让我们来计算一下可用的IP地址。例如B类网段172.16.0.0, 有16个主机位,因此有216个IP地址，去掉一个网络地址1，一个广播地址不能用作标识主机，那么共有216-2个可用地址。C类网段，有8个主机位，共有28=256个IP地址，去掉一个网络地址，一个广播地址，共有254个可用主机地址。现在，我们可以这样计算每一个网段可用主机地址：假定这个网段的主机部分位数为n，那么可用的主机地址个数为2n-2个。网络层设备（例如路由器等）使用网络地址来代表本网段内的主机，大大减少了路由器的路由表条目。2.1.2 子网规划对于

11、没有子网的 IP 地址组织，外部将该组织看作单一网络，不需要知道内部结构。例如，所有到地址的路由被认为同一方向，不考虑地址的第三和第四个 8 位分组，这种方案的好处是减少路由表的项目。但这种方案没法区分一个大的网络内不同的子网网段，这使网络内所有主机都能收到在该大的网络内的广播，会降低网络的性能，另外也不利于管理。比如，一个 B 类网可容纳 65000 个主机在网络内。但是没有任何一个单位能够同时管理这么多主机。这就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。从地址分配的角度来看，子网是网段地址的扩充。网络管理员根据组织增长的需要决定子网的大小。网络设备使用子网掩码（subn

12、et 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都是1，主机部分全都是0。缺省状态下，如果没有进行子网划分，A类网络的子网掩码为，B类网络的子网掩码为，C类网络子网掩码为。利用子网，网络地址的使用会更有效。对外仍为一个网络，对内部而言，则分为不同的子网。如图：网络172.16.0.0 分为两个网段：、。如果公司的财务部使用172.16.4.0 子网段；公司的工程部使用 172.16.8.0 子网段。这样可使路由器根据目的子网地址进行路由，从而限制一个子网的广播报文发送到其它网段，不对网络的效率产生影响。在这

13、个例子中，网段地址是一个 C 类地址：201.222.5.0 。假设需要 20 个子网，其中每个子网 5 个主机，就要把主机地址的最后一个八位组分成子网部分和主机部分。子网部分的位数决定了子网的数目。在这个例子中子网部分占有5位，最大可提供 30（25 -2）个子网。剩余 3 位为主机部分。一共有 8 个（23）值。主机部分全是 0 的 IP 地址，是子网网络地址；主机部分全是1 的 IP 地址是本子网的广播地址。这样就剩余 6 个主机地址。可以满足需要。对于 B 类网络来说，如果子网有八位，则能提供 254 个子网，每个子网可容纳 254 台主机。子网位数子网掩码子网数每一子网主机数2216

14、382368190414409453020466621022712651082542549510126101022621120463012409414138190614163822对于图中 C 类网络来说，如果子网有五位，则能提供 30 个子网，每个子网可容纳 6 台主机。子网位数子网掩码子网数每一子网主机数226236304141453066622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。这时候我们可以采用变长子网掩码（VLSM，V

15、ariable Length Subnet Masking）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。这种寻址方案必能节省大量的地址，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，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。CIDR（Classless InterDomain Routing，无类域间路由）由RFC1817定义。CIDR突破了传统IP地址分类边界，把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，。这个ISP准