计算机网络 课件 项目三 网络规划与设计 任务3 IP地址

计算机网络武汉铁路职业技术学院任务3

IP地址知识点一初识IP地址二进制与十进制之间的转换规律二进制与十进制IP地址与MAC地址的关系什么是IP地址IP地址是主机在Internet上的一个全世界范围内唯一32位标识符IP地址：100.1.0.1点分十进制用4个十进制数表示，中间用圆点隔开100.29.0.201100100000111010000000000000010二进制：8888+++32位思考：计算机使用二进制，为什么用十进制表示IP地址呢？二进制与十进制二进制二进制在生活中可以说基本用不到，但是它是计算机底层的编码语言，即机器语言，数值的每一位都由0或1两种状态组成，逢二进一，为二进制。十进制所谓十进制，就是数值的每一位都由0~9组成，共有10种状态，逢十进一，为十进制。在学习IP地址与子网划分之前，要求学生能够熟练的掌握二进制与十进制的互相转换。十进制是我们从小就开始学习的知识，可以说非常熟悉，之所以使用这么广泛，很有可能跟我们有十根手指有关。二进制与十进制的转换无论是二进制转为十进制，还是十进制转为二进制，只需要完成下表的内容就能得到答案，这种方法比传统的除2取模计算要简单得多。首先一个十进制数可以转换为8位二进制数，从低位到高位基数分别是2^0，2^1，2^2，2^3，2^4，2^5，2^6，2^7。2^72^62^52^42^32^22^12^01286432168421例：把十进制数100转换为二进制数，依据上表100=64+32+4，则把64，32，4这三位数置为1，其余位数置为0。计算结果如表3-3-3所示，将100转换为二进制数是01100100。二进制与十进制的转换例：把十进制数63转换为二进制数，则只需把64列后面所有的位数置为1，其余置为0，如表3-3-4所示，结果是二进制数00111111。128643216842101100100例：把二进制数11110000转换为十进制，查表128+64+32+16=240，所以二进制11110000转换成十进制数是240。

128643216842100111111IP和MAC地址的关系既然计算机的网卡已经有物理地址（MAC地址）了，那为什么还需要IP地址呢？这是很多初学者会问到的问题。如下图所示，网络中有三个网段，一个交换机对应一个网段，使用两个路由器连接这三个网段。如果计算机A给计算机F发送一个数据包，则必须在网络层给数据包添加源IP地址（10.10.10.1）和目的IP地址（20.20.20.1）。IP和MAC地址的关系

该数据包要想到达计算机F，要经过路由器1转发，那数据包如何封装才能让交换机1转发到路由器1呢?答案是需要在数据链路层添加MAC地址，源MAC地址为主机A的MAC地址，目标MAC地址为路由器1左边接口的MAC地址，路由器1收到该数据包，需要将该数据包转发到路由器2，这就要求将数据包重新封装的目标MAC地址是路由器2左边接口的MAC地址，源MAC地址是路由器1右边接口的MAC地址。数据包到达路由器2，需要重新封装，目标MAC地址为计算机F的MAC地址，源MAC地址为路由器2右边接口的MAC地址，交换机3将该数据帧转发给计算机F。

IP和MAC地址的关系IP地址IP地址则类比为居住地。学生在学校上学，那么收快递的目的地址选择学校地址，如果学生寒暑假在自己家，那么收快递的目的地址选择家里。所以IP地址就类似快递包裹中目的地址，在不同的网络中，IP地址是会发生改变的。MAC地址MAC地址是由网络设备制造商生产时烧录在网卡（NetworklnterfaceCard）的一种闪存芯片，一般情况下不会随意更改，类比为我们的身份证，一般情况下无法更改，无论是身处学校还是家中，身份证不变，所以MAC地址不变。知识点二IP地址与MAC地址的映射ARP地址解析协议RARP逆地址解析协议IP地址映射为MAC地址在以太网上传输IP报文，必须将IP数据报文装载在MAC地址的数据帧中，才能传输到目的主机。

首先，以太网的数据帧使用MAC地址作为源地址和目的地址，以MAC地址标志计算机。

其次，在以太网上运行的IP协议，每台计算机都需要分配一个唯一的IP地址，所以IP地址与MAC地址有着一一对应的关系。

那么源主机如何在已知目的IP地址的前提下，获取目的主机的MAC地址？这就是本知识点介绍的ARP协议的功能，源主机在发送IP报文之前使用ARP协议，将IP地址映射为MAC地址。ARP作用ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。交换机局域网内利用MAC进行数据转发以太网中一个主机和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。利用ARP–a命令查看主机中MAC地址信息C:\>arp-a接口:192.168.212.111---0xbInternet地址物理地址类型

192.168.212.100-00-5e-00-01-fb动态

192.168.212.200-1c-25-dc-2e-61动态

192.168.212.300-16-36-bc-8a-76动态

192.168.212.4ec-a8-6b-8a-1c-ab动态

192.168.212.8d4-3d-7e-d0-e6-63动态

192.168.212.900-21-97-c2-51-b9动态路由器各网络间利用IP地址进行寻址转发ARP原理ARP是借助ARP请求与ARP响应两种类型的包确定MAC地址的IP：172.16.1.1IP：172.16.1.2IP：172.16.1.3主机A主机B主机C希望与主机B进行通信A发送ARP广播包询问B的MAC地址C收到后丢弃此包B收到后将主机A的MAC地址收藏，并给回应告诉A，自己的MAC地址交换机广播该ARP数据包交换机C:\>arp-a接口:192.168.212.111---0xbInternet地址物理地址类型

192.168.212.100-00-5e-00-01-fb动态

192.168.212.200-1c-25-dc-2e-61动态

192.168.212.300-16-36-bc-8a-76动态

172.16.1.2ec-a8-6b-8a-1c-ab动态ARP应用方式IP：172.16.1.1IP：172.16.1.2IP：172.16.1.3主机A主机B主机C希望与主机B进行通信在数据链路层封装主机B的MACB收到后将主机A的MAC地址收藏，并给回应告诉A，自己的MAC地址交换机利用MAC地址找到转发端口交换机C:\>arp-a接口:192.168.212.111---0xbInternet地址物理地址类型

192.168.212.100-00-5e-00-01-fb动态

192.168.212.200-1c-25-dc-2e-61动态

192.168.212.300-16-36-bc-8a-76动态

172.16.1.200-00-36-00-00-01动态ARP地址查询完成后，交换机将利用这一MAC地址进行转发ARP应用实例（1）设在一个以太网上，主机A和主机B之间要通过IP通信，则双方必须知道对方的MAC地址。每台主机都设ARP高速缓存，维护一个IP地址到MAC地址的转换表，即为ARP表，表中存放最近使用过的与本机通信的同网主机的IP地址和MAC地址的映射。在主机启动时，ARP表为空。ARP应用实例（2）假设源主机A（IP地址为10.10.10.1）要和目的主机B（IP地址为10.10.10.2）通信。首先查看主机A的ARP表，看其中是否含有10.10.10.2对应的ARP表项。ARP缓存表中包含10.10.10.2对应的MAC地址，则主机A不用发送ARP包，而直接利用ARP表中的MAC地址把IP数据包进行帧封装，向目的主机B发送即可。ARP应用实例（3）如果在ARP表中找不到对应的地址项，则把该数据包放入ARP发送等待队列，然后用ARP协议创建一个ARP请求，并以广播方式发送ARP请求分组。ARP应用实例（4）主机A在收到ARP响应后，从分组中提取出目的IP地址及其对应的MAC地址，加入自己的ARP表中，并且把在发送等待队列中的所有数据包发送出去。如果一条ARP表项很久没有使用了，则定时删除。ARP不是IP协议的一部分，它不使用

IP报文传送，而是直接装载在以太网帧的数据域中传输。

RARP逆地址解析协议

RARP协议可以实现MAC地址到IP地址的转换。无盘工作站在启动时，只知道自己的网络接口的MAC地址，而不知道自己的IP地址。它首先要使用RARP协议得到自己的IP地址后，才能和其他服务器通信。如图

，最典型的应用为网络打印机连接到网络中时，需要用到RARP协议获取IP地址。在一台无盘工作站启动时，工作站首先以广播方式发出RARP请求，RARP服务器就会根据提供的RARP请求中的MAC地址为该工作站分配一个IP地址，组织一个RARP响应包发送回去。交换机主机ARARP服务器我的IP地址是什么携带自身的MAC地址进行广播请求查询MAC与IP映射关系，响应其IP知识点三IPv4地址基础知识IPv4地址结构IPv4地址的分类子网掩码的作用特殊的IP地址IPv4地址结构100.29.0.2网络号主机号0517–83808237区号电话号Internet网络1网络2网络3主机1主机2主机3互联网层次结构思考：如何确定网络号呢IPv4地址的分类A类B类C类D类E类字节1字节2字节3字节40网络号主机号10网络号主机号110网络号主机号1110多播地址1111预留第一字节范围000000000111111110000000101111111100000011011111111000001110111111100000111011110~127128~191192~223224~239240~255ABC三类为常用地址D类为多播地址保留为实验科研用192.168.1.1C类每类网络所包含主机数量IP地址类别网络地址长度子网掩码包含主机数量A类B类C类8位255.0.0.0224-2=1677721416位255.255.0.0216-2=6553424位255.255.255.028-2=25411111111000000000000000000000000255.0.0.0子网掩码的作用

通过将网络号所占二进制位置为1，主机号所占二进制位置为0，然后转换成十进制计算得来的。用来确定IP地址的网络号。子网掩码100.29.0.2网络号主机号0110010000011101000000000000001011111111111111110000000000000000255.255.0.0计算网络号方法IP地址与子网掩码与运算011001000001110100000000000000101111111111111111000000000000000001100100000111010000000000000000100.29.0.0表示方法100.29.0.0/16前缀表示法Netmask路由器A路由器B路由器C本网网络号：192.168.1.0192.168.1.2192.168.1.3本网网络号：192.168.2.0192.168.2.2192.168.2.3本网网络号：192.168.3.0192.168.3.2192.168.3.3路由器D主机A子网掩码的作用应用举例：目的地址：192.168.3.3目的地址：192.168.3.3取出目的地址使用设定的子网掩码子网掩码：255.255.255.0&网络号：192.168.3.0特殊的IP地址-网络地址网络地址包含了一个有效的网络号和一个全“0”的主机号。如：114.0.0.0/8主机位全为0，为网络号，因此不能分配给主机使用。11.17.1.211.17.1.3212.1.10.1212.1.10.2212.1.10.3路由器A路由器B路由器C特殊的IP地址-直接广播直接广播（DirectedBroadcasting）包含一个有效的网络号和一个全“1”的主机号，即将IP地址中的主机号部分全部设置为1，如192.168.1.255/24目的地址：212.1.10.255路由器转发直接广播包发送到212.1.10.0网络中的所有主机特殊的IP地址-有限广播有限广播（LimitedBroadcasting）也称受限广播地址，指32位全为“1”的IP地址，即255.255.255.255。用于本网广播，即被限制在本网络之中。目的地址：255.255.255.255路由器隔离有限广播包212.7.10.1212.7.10.2212.7.10.3路由器A路由器B路由器C11.0.0.211.0.0.311.0.0.411.0.0.5主机A主机B主机C主机D主机H主机I主机E主机F主机G特殊的IP地址-多播地址多播（LimitedBroadcasting）多播（Multicast）也称为组播，D类的IP地址就属于多播地址。路由器A发送多播数据包路由器复制多播数据包224.0.0.1224.0.0.6特殊的IP地址-环回地址环回地址在A类网络中，当网络号部分为127，主机号为任意值时的地址称为环回地址。它主要用于网络软件测试以及本地进程之间的通信。本地主机特殊的IP地址-保留地址0.0.0.0表示所有不清楚的主机和目的网络169.254.*.*使用DHCP无法自动获取地址时，系统自动分配这个网段的地址C:\>routeprintActiveRoutes:NetworkDestinationNetmaskGatewayInterfaceMetric0.0.0.00.0.0.0210.29.228.65210.29.228.6820

127.0.0.0255.0.0.0127.0.0.1127.0.0.11

169.254.0.0255.255.0.0210.29.228.68210.29.228.6820224.0.0.0240.0.0.0210.29.228.68210.29.228.6820

255.255.255.255255.255.255.255210.29.228.68210.29.228.681DefaultGateway:210.29.228.65知识点四IPv4子网划分子网划分的原因划分子网的方法等长子网划分的规则非等长子网划分的规则超网与无类域间路由子网划分的原因出于对管理、性能和安全方面的考虑，许多单位把单一网络划分为多个物理网络，并使用路由器将它们联系起来。

子网划分（Subnetting）技术能够使单个网络地址横跨几个物理网络，这些物理网络统称为子网。子网划分的原因ABC网络号网络号网络号8位24位16位16位24位8位主机号主机号主机号03方便网络管理和故障诊断02增强系统安全性01有效利用IP地址，改进系统性能子网划分原因2ABC三类网络中主机数11677721465534254子网划分的方法借位：从主机最高位开始借位变为新的子网位，剩余部分仍为主机位，使IP地址的格式变为：16位16位B类IP地址划分子网16位m位n位+=16位主机号网络号网络号子网号主机号网络号主机号16位m位+子网划分的方法

按照网络数量划分1公式:2n≥N

N代表网络数量

n代表子网位数110000001010100000000001举例：原有网络号192.168.1.0/24，划分成2个网络网络1网络22n≥2n=1000000000000000000000000192.168.1.192.168.1.0/25网络110000000192.168.1.192.168.1.128/25网络2子网划分的方法按照主机数量划分2公式:2n-2≥N

N代表主机数量

n代表主机所占位数-2是指减掉主机位全0和全1的两种情况110000001010100000000001举例：原有网络号192.168.1.0/24，其中一个网络包含100台主机2n-2≥100n=7000000000000000000000000192.168.1.192.168.1.0/2510000000192.168.1.192.168.1.128/25100台主机等长子网划分假设B类网络

172.17.0.0，将主机号分为两部分，其中，8bit用于子网号，另外8bit用于主机号，那么这个B类网络就被分为256个子网，每个子网可以容纳254台主机。下图给出了两个地址，其中一个是未划分子网中的主机IP，而另一个是子网中的IP地址,，你也许会发现一个问题，这两个地址从外观上没有任何差别，那么，应该如何区分这两个地址呢？前面介绍过，通过子网掩码，可以指出一个IP地址中的哪些位对应于网络地址，哪些位对应于主机地址。等长子网划分的规则（1）借主机号的高位作为子网号，子网号最终会纳入到网络号中。（2）每个子网能够容纳的主机数一样。（3）网络地址和广播地址不能给主机使用。（4）在本子网中，有效主机范围的最小值=网络地址+1。（5）有效主机范围的最大值=广播地址-1。（6）下一个子网的网络地址=上一个子网的广播地址+1。（7）知道主机号所在的位数x，会算能够容纳2x-2台主机。等长子网划分实例（1）举例：原有网络号192.168.1.0/24，划分成2个网络。分析：首先192.168.1.0/24属于C类IP地址，其网络号占24位，主机号占8位，由于要划分2个网络，需要1位子网号，则主机号就变成了8-1=7位，那每个子网可以容纳的主机数量位27-2，即126。子网1：网络地址为192.168.1.00000000/25子网2：网络地址为192.168.1.10000000/25其中子网1中，主机位全0为网络地址，主机位全1为广播地址。子网1：网络地址为192.168.1.00000000（192.168.1.0）广播地址为192.168.1.01111111（192.168.1.127）那么子网1能够容纳的主机IP范围为：192.168.0.1~192.168.1.126子网2：网络地址为192.168.1.10000000（192.168.1.128）广播地址为192.168.1.11111111（192.168.1.255）那么子网2能够容纳的主机IP范围为：192.168.0.129~192.168.1.254通过以上的办法就可以将原有网络号192.168.1.0/24，划分成2个网络。等长子网划分实例（2）举例：原有网络号192.168.1.0/24，由于公司有4个部门，分别是研发，采购，测试，市场部门，每个部门50台电脑，需要给每个部门分配一个子网。分析：首先192.168.1.0/24属于C类IP地址，其网络号占24位，主机号占8位，由于要划分4个子网，供4个部门使用，需要2位子网号，分别是00子网，01子网，10子网和11子网。则主机号就变成了8-2=6位，那每个子网可以容纳的主机数量位26-2，即62。子网1：网络地址为192.168.1.00000000/26子网2：网络地址为192.168.1.01000000/26子网3：网络地址为192.168.1.10000000/26子网4：网络地址为192.168.1.11000000/26非等长子网划分VLSM路由器B路由器AInternet3楼：54个IP2楼：101个IP2个IP可变长子网掩码（VLSM）：各子网主机规模不一致的情况，允许在同一网络范围内使用不同长度子网掩码。192.168.1.0/24例192.168.1.000000001.按照2楼主机数划分2n-2≥101n=7192.168.1.0/25192.168.1.128/25100000002楼使用其他网络使用2.按照3楼主机数划分2n-2≥54n=6192.168.1.1000000011000000192.168.1.128/26192.168.1.192/263楼使用其他网络使用3.为路由器之间网络划分2n-2≥2n=2192.168.1.11000000192.168.1.192/30路由器之间使用非等长子网划分实例（1）举例：某网络分配到C类IP地址192.168.1.0/24，要划分4个子网，子网A有125台主机，子网B有47台主机，子网C有6台主机，子网D有2台主机，请设计满足要求的IP地址分配方案。分析：首先192.168.1.0/24属于C类IP地址，其网络号占24位，主机号占8位，由于要划分4个子网，需要2位子网号。则主机号就变成了8-2=6位，那每个子网可以容纳的主机数量位26-2，即62。也就是每个子网最多只能分配62个IP地址，而题目中子网A需要有125台主机，所以等长子网掩码的划分已经无法满足题目要求。这里为了能更加灵活的使用IP地址，引入了非等长子网掩码设计方案。非等长子网划分实例（2）首先子网A需要125个IP地址，说明划分子网A需要7位主机位，所以子网位占1位。即把192.168.1.0/24划分为两个子网。子网1：网络地址为192.168.1.00000000/25子网2：网络地址为192.168.1.10000000/25其中子网1可以容纳的主机IP地址范围为：192.168.1.1~192.168.1.127，可以分配给子网A。而子网2作为其他网络的IP地址的总和。由于子网B需要47个IP地址，即需要6位主机位，即把子网2再划分为两个子网。子网3：192.168.1.10000000/26子网4：192.168.1.11000000/26其中子网3可以容纳的主机IP地址范围为：192.168.1.129~192.168.1.190，可以分配给子网B。而子网4作为其他网络的IP地址的总和。由于子网C只需要6个IP地址，即需要3位主机位，把子网4再分为以下子网。子网5：192.168.1.11000000/29子网6：192.168.1.11001000/29其中子网5可以容纳的主机IP地址范围为：192.168.1.193~192.168.1.198,可以分配给子网C。而子网6也可以分配6个IP地址，可以分配给子网D。非等长子网划分实例（3）如表所示，根据非等长子网掩码方法制作IP地址分配方案。超网与无类域间路由目前，在Internet上便用的IP地址是在1978年确立的协议，它由4段8位二进制数字组成。由于Internet

协议当时的版本号为4，因而称为“IPv4"。尽管这个协议在理论上有大约43亿个IP地址，但并不是所有的地址都得到充分的利用，部分原因在于Internet信息中心InterNIC把IP地址分配给许多机构，而A类和B类地址所包含的主机数太多，比如，一个B类网络135.41.0.0，在该网络中所包含的主机数可以达到65534个，这么多地址显然并没有被充分利用，另外，在一个C类网络中只能容纳254台主机，而对于拥有上千台主机的单位来说，获得一个C类网络地址显然是不够的。此外，由于Internet的迅猛扩展，主机数量急剧增加，它正以非常快的速度耗尽目前尚未使用的IP地址，B类网络很快就要被用完。为了解决当前IP地址面临严重的资源不足的问题，InterNIC设计了一种新的网络分配方法。与分配一个B类网络不同，InterNIC给一个单位分配一个C类网络的范围，该范围能容纳足够的网络和主机，这种划分方法实质上是将若干个C类网络合并成一个网络，这个合并后的网络称为超网。超网与无类域间路由假设一个单位拥有2000台主机，那么InterNIC并不是给它分配一个B类的网络，而是分配8个C类的网络。每个C类网络可以容纳254台主机，总共2032台主机。虽然这种方法有助于节约B类网络，但它也导致了新的问题。采用通常的路由选择技术，在Internet上的每个路由器的路由表中必须有8个C类网络表项才能把IP包路由到该单位。为防止路由器被过多路由淹没，无类域间路由(Cassless

Inter

Domain

Routing,CIDR)的技术把多个网络表项缩成一个表项。无类别域间路由将若干个较小的网络合并成个较大的网络，以可变长子网掩码的方式重新分配网络号，其目的是为了将多个IP网络地址结合起来使用。因此，使用了CIDR后，在路由表中只用一个路由表项就可以表示分配给该单位的所有C类网络。在概念上CIDR创建的路由表项可以表示为：[起始网络，数量]，其中，起始网络表示所分配的第一个C类网络的地址，数量是分配的C类网络的总个数。无类域间路由由于使用了VLSM无形中增加了路由条目，降低了通信效率，因此利用CIDR可以将若干个较小的网络合并成一个较大的网络无类域间路由（CIDR）：路由器A路由器C路由器BInternet200.1.0.0/24200.1.1.0/24200.1.2.0/24200.1.3.0/24200.1.4.0/24200.1.5.0/24边界路由器1100100000000001000000000000000011001000

0000000100000001000000001100100000000001000000100000000011001000000000010000001100000000110010000000000100000100000000001100100000000001000001010000000011001000000000010000000000000000网络1：网络2：网络3：网络4：网络5：网络6：汇聚后的超网地址200.1.0.0/21CIDR实例（1）该企业网络有1500个主机，由于难以申请

B类地址，因此为该企业申请了8个连续的C类地址：192.56.

0.

0/24~192.

56.

7.0/24，解决了地址资源短缺的问题。但是，这样的地址分配方案就使这个企业的网络变成了8个相对独立的C类网络，如果这8个C类网络名自管理，会显著增加网络管理的开销。例如，各个子网之间通信需要通过路由器，在企业网与外部网络之间的边界路由器上则需要为这8个C类网络生成8条路由信息，从而增加了路由器的设备投资及管理开销。CIDR实例（2）采用CIDR，可以将这8个连续的C类网络汇聚成一个网络，见右表，所有8个C类网络的前21位都是相同的，第三个字节的最后3位从000变到111，因此该网络的网络号可表示为192.56.0.0,对应的子网拖码可定为255.255.248.0，即地址的前21位标识网络，剩余的11位标识主机。而在企业网与外部网的边界路由器上只要生成一条关于192.56.0.0/21的路由信息即可。CIDR实例（3）从上面的例子可以看出，CIDR既可在一定程度上解决B类地址严重缺乏的问题，又能有效防止网络管理开销的膨胀。但在具体运行CIDR时必须遵守下列两个规则：(1)网络号的范围必须是2N，如2、4、8、16等。(2)网络地址最好是连续的。若能满足上述规则，就可以使用速算的方法来快速确定合并后超网的子网掩码。若一个单位需要2000多台计算机，若用二进制数表示2000时，需要使用至11个比特位(211=2048)。因此，对于一个32bit的IP地址来说，其中，11位要用于主机号，剩余的21位就要作为网络号，从而得出子网掩码为255.255.248.0。需要注意的是，使用可变长子网划分、超网和CIDR配置网络时，要求相关的路由器和路由协议必须能够支持。

用于IP路由的路由信息协议RIP版本2（RIP2）和边界网关协议版本4（BGPv4）都可以支持可变长子网划分和CIDR，而RIP版本（RIPV1）则不支持。知识点五IPv4与IPv6IPv4的局限性与缺点IPv6及其技术新特征地址资源已经耗尽1路由表越来越大2缺乏QoS保证3地址上分配不便4

IPv4的局限性与缺点

IPv4

提供的IP地址位数是32位，即40亿个左右的地址。随着连接到

Internet上的主机数目的迅速增加，2019年11月26日，全球所有的IPv4地址已经分配完毕。由于IPv4采用与网络拓扑结构无关的形式来分配地址，所以随着连入网络数目的增长，路由器数目飞速增加，相应地，决定数据传输路由的路由表也就在不断增大。IPv4遵循Best

Effort原则，这一方面是一个优点，

因为它使IPv4