IP地址的分配与聚合设计

1、第三章IP地址的分配与聚合设计随着电报技术的普及和因特网技术的迅猛发展，因特网已作为21世纪人类的一种新生活方式而深入到寻常百姓家。谈到因特网，IP地址就不能不提，因为无论是从学习还是从使用因特网的角度来看，IP地址都是一个十分重要的概念，INTERNET是许多服务和特点都是使用通过IP地址体现出来的，而IP地址和子网掩码的设置，更是每个从事网络工作的人必须具备的网络知识，只有理解了IP地址和子网掩码的真下正含义，才能得心应手的管理一个网络。我们要想理解IP地址与子网掩码的真正应用，首先要理解IP地址与子网掩码的常识。本章将要详细讲解IP地址的分类规则以及如何灵活的运用子网掩码技术规划网络等基

2、础知识。网际协议IPIP协议的功能网际协议IP/是TCP/IP体系中最主要的协议之一，也是最重要的因特网标准协议之一。IP协议提供了无连接数据报传输和网际路由器服务。利用IP协议就可以使性能各异的网络让用户看起来好象是一个统一的网络。IP协议在整个TCP/IP协议栈中占有重要位置。应用层和网络接口层都有多种协议，而中间的IP层很小，上层的各种都协议向下汇聚到一个IP协议中。IP数据报的格式IP层的数据传输单位为IP数据报。图3-1是IP数据报的完整格式。可以看出，一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据报必须具有的。后面的是一些可选字段，其长度

3、是可变的。面介绍（面介绍（1）（2）v4）。心须使用最后一个填充字段加以填充。服务类型占8bit,用来获得更好的服务。当网络流量较大时，路由器会根据服务类型（105）内不同字段的值，决定哪些数据报应该先发送，哪些后以送。前三个比特表示优先级，将数据段分成8个优先级。D比特表示要求有更低的时延。T比特表示有更高的吞吐量。R比特表示有更好的可靠性。C比特表示要求有更小的路由开销。最后一个比特目前尚未使用。总长度占16bit，因此数据报的最大长度为65535字节（即64KB）。虽然用尽可能长的数据报会使传输效率提高，但由于以太网的普遍应用，实际上是用的数据报长度很少有超过1500字节的。当数据报超过

4、网络所允许的最大传输长度时，就必须将过长的数据报分片。数据报首部中的总长度不是只未分片前的数据报长度，而是指分片后每片的首部长度与数据长度的总和。标识（indentification）占16bit，用于数据报分片与重组。它是一个计数器，当I协议发送数据报时，他就将这个计数器的当前的分片复制到标识字段中。如果数据报要进行分片，则将这值复制到每一个分片后的数据报片中。这些数据报到了接收端，就按照标识字段的值使这些分片后的数据报片重组成为原来的数据报。标志（flag）占3bit。表示数据报的分片信息。目前只有两个比特有意义。最低位MF（MoreFragment）。MF=1即表示后面还有分片的数据报。

5、MF=0表示这已经是若干数据报的最后一个。中间位DF（DontFragment）。DF=1表示不能分片。DF=0表示允许分片。片偏移占13bit，8个字节为偏移单位。这就是说，每个分片的长度一定是8字节的整数倍。片偏移指出：较长的分组分片后，某片原分组中的相对位置，也就是说，相对于用户数据字段的起点。该片从何处开始。生存时间生存时间（TTL）指数据报在网络中的寿命，其单位为依法秒。数据报在网络中传输，每经过一个网络设备，就将其TTL的值减1。直到最后，TTL的值变为0。认为是无效的数据报，将其丢失。协议占8比特，协议字段指出此数据报携带数据是使用何种协议，即位于IP层上的协议是什么。当目的主机

6、收到IP数据报，就根据协议字段的值将此IP数据报的数据部分交给其相应的上层协议处理。（10）首部检验和占16比特，IP首部检验和只检验IP数据报的首部，不包括数据部分。这是因为数据报每经过一个结点，都要重新计算首部检验和。如果将数据部分一起检验，计算量就太大了。源地址占4比特。目的地址占4比特。（13）IP首部的可变部分就是一个选项字段。选项字段用来支持排错，测量以及安全等措施。增加这个首部可变部分是为了增加IP数据报的功能，同时也增加了每一个路由器处理数据报的开销。首部长度从1个字节到40个字节不等。IP地址及其分类IP地址表示方法当我们把整个因特网看成一个单一的，抽象的网络时，ip地址就是

7、给连接到因特网上的每一台主机分配一个全世界内惟一的32位的标识符。IP地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN进行分配。在主机或路由器中存放的IP地址都是32位的二进制代码。为了提高可读性，我们常常将32位的IP地址中的每8位用其等效的十进制数字表示，并且在这些数字之间加上一个点。内陆此标记IP地址的方法称为点分十进制记法。如图3-2所示，可以看出，IP地址的每一段的数的范围是0255。图3-2IP图3-2IP地址IP地址的分类所谓的“分类的ip地址”就是将ip地址分为若干个固定类，每一类地址都是两个固定长度的字段组成，分别为网络号（netid）和主机号（hosr-id）。网络号用来标识主

8、机或路由器所连接到的网络，主机号用来标识该主机或路由器。每一个IP数据报都包含IP地址，用来标识源和目的网络和主机。每一个网络都有惟一的网络地址，所有连接到这个网络的主机，都有相同的网络位和惟一和主机位。IP地址可分为A类，B类，C类，D类和E类。其中的A类，B类和C类地址是最常用的。D类地址用来作为组播地址，E类地址保留在今后使用。A类:日类:C类:口类:A类:日类:C类:口类:10NNNNNNHostHost(128-191)1891G10NNNNNNHostHost(128-191)1891NNNNNt:i*Host(192-223)1891G172425321

9、110MMMM聿am(1-12G)1891G17242532(224-239)图3-3IP地址分类A类，B类和C类IP地址的网络号分别是8位，16位和24位，其最前面的13比特的数值分别规定为0，10，100。其主机号字段分别为24位，16位和8位。IP地址的网络数和主机数的计算方法对于A类地址而言，其网络号仅仅只占8位，主机号占24位。A类网络容纳的主机数最多。B类和C为类网络所容纳得主机数相对少些。D类和E类地址也被定义。D类地址是以224.0.0.0开始,留作以后使用。A类地址的特点：以0开头；网络号的范围是：1.0.0.0至U126.0.0.0;最大网络数：127个(1126是可用的,

10、127作为本地软件回路测试本主机之用)。网络中的最大主机数是1677214(即2242)个。其中减2的原因是去掉主机号全0的地址和主机号全1的主机地址，主机号全0的地址表示该IP地址所连接网络的网络地址，主机号全1的地址表示该IP地址所连接网络的所有主机地址，即广播地址。B类地址的特点：、以1,0开头网络号的范围是：16384网络中的最大主机数65534个C类网络的特点：前三个比特位为1,1,0网络号的范围：192.0.0.0223.255.255.0可用的网络数为:2097152网络中的最大主机数是254个这样,对于网络中的一台主机,就可以有网络号和主机号来识别。在路由表中,将属于同一个网络

11、中的主机归结为一个条目,即网络地址。这样做的好处是节省了路由表信息,提高了转发效率。专用IP地址IP地址中,还存在着这样三个地址字段,他们只在本机构内部有效,不会被路由器转发到公网中。这些ip地址存在的意义是：假设在一个机构内部使用的计算机就可以由本机构自行分配其ip地址。则就是说，让这些计算机使用仅在本机构有效地ip地址，而不是要向因特网的管理机构申请全球ip地址。这样也可以节省宝贵的全球ip地址的资源。我们将这样的IP地址称为专用地址(privateaddres)。这些地址只能用于一个机构的内部通信,而不能用于和因特网上得主机通信。换言之,专用地址只能用作本地地址而不能用作全球地址。在因特

12、网中的所有路由器对目的地址是专用地址的数据报一律不进行转发。这些专用地址是：(1)10.0.0.010.255.255.255(2)172.16.0.0172.31.255.255(3)192.168.0.0192.168.255.255子网的划分我们以B类地址为例，一个B类的网络中的最大主机数为216-2个，如果我们采取以太网形式，则如果有大量的广播信息存在，就会导致网络拥塞。如图3-4所示，图中的172.16.0.0这个网络所容纳的主机数为65534个，且这些主机都同处于一个广播域，使得网络的性能很低。172.16.0.1172.1.0.2172.16.0.3d7?.16.255.2531

13、72.16.255.254呈早早.早旱172.16.0.021工2=65534图3-4B类网络可容纳的主机数划分子网的目的如果我们将一个网络划分成若干个子网，就可以使IP地址应用的更加有效。将原有同处于同一个网段上的主机分成不同的网段或子网，同时也将原来的一个广播划分成了若干个较小的广播域。划分子网的方法在下面的例子中，网络172.16.0.0被分成了四个子网，分别是：172.16.1.0，172.16.1.0，172.16.3.0，172.16.4.0。说自网络号位。子网号(说自网络号位。子网号(subnet-id)是网络号的一个延伸，网络管理者可以根据自己的需要决定子网号位数。划分子网的方

14、法是从子网的主机号借用若干个比特作为子网号，而主机也就相应减少了若干个比特。于是，IP寻址就分位了三步走：主类网络号、子网号和主机号。如图3-6所示。主类网络子网172.16.3.5172.16.3.100172.16.2.1172.16.3.150主类网络子网172.16.3.5172.16.3.100172.16.2.1172.16.3.150新的路由表NetworkInterface172.1620信4EOp图3-6：7图3-6：7子网的划分b_值得注意的是，路由器的每个端口要连接到不同的网段上，这个借用的位数是可以变的。并且每划分一个子网，付出的代价就是丢失了2个地址。因为子网的主机地

15、址同样不能是全0或全1。子网掩码子网地址的形成是通过借用主机中的若干位来充当子网号位，这个借用的位数是可变的。那么我们如何识别一个网络到底有没有划分子网，如果划分了则，子网号位数又是多少位？子网掩码帮助我们解决了上述问题。子网掩码同IP地址一样都是32位，由一串1和跟随的一串0组成。子网掩码使用规则是：二进制1对应主网络位二进制1对应子网位二进制0对应主机位主类网络子网/L172.16.2.16010101100000100000000001010iqoooo|255.255.255.1921111111111111111111111111119000001010110017200010000

16、160000001010(二口mFg位小|曰rcok-j1r-j?：?JJ?Jg|T尸,200000d,曰国3Ft7$-jm骨Li-7-JC-JCMC-JCJCJ128图3-7子网的划分c如图3-7，当路由器受到了发给目的地址位172.16.2.128这台主机的数据报后，首先执行逻辑与运算。用目的主机地址子网掩码相与。与运算之后的结果是将目的地址的之际位去掉，只剩下网络号位和子网号位。接下来就可以根据网络位和子网位转发该数据包。从图中还可以看出，子网掩码中1的个数不一定非得是一个字节的整数倍。图中子网掩码为255.255.255.192，其中1的个数为26个。全0子网的启动对于已知的二进制表示

17、的子网掩码，要将其转为十进制的形式表示。子网掩码可以全为0或全者全1。对于路由器来说，可以使用这种子网掩码为全未0或全1的子网。对于全0子网的启用，要路由器的全局模式下输入命令：router(config)#ipsubnet-zero默认的子网掩码对于A、B、C这三类主网络来说，如果未划分子网，则其默认的子网掩码分别为：255.0.0.0，255.255.0.0和255.255.255.0。如172.16.0.0对应的子网掩码为255.255.0.0。VLSM可变长的子网掩码我们在前面定义子网掩码时，将整个网络中的子网掩码都假设为同一个掩码。也就是说，无论各个子网中容纳了多少台主机，只要这个网

18、络被划分了子网，这些子网都将使用相同的子网掩码。然而在许多情况下，网络中不同的子网连接的主机数可能有很大的差别。这就需要在一个主网络中定义多个子网掩码，我们将这种方式称为可变长子网掩码VLSM(Variable-lengthsubnetmask)。VLSM的优点VLSM是IP地址的使用更加有效，减少了子网中IP地址的浪费。并且VLSM允许对已经划分过了的子网的网络可以继续划分子网。例如网络172.16.0.0/16(即子网掩码中1的个数为16)被划分成/24的子网，其中子网172.16.14.0/24又被继续划分成/27的子网。这个子网的网络范围是172.16.14.0/27172.16.14

19、.224/27。再将172.16.14.128/27的网络继续划分成/30的子网。对于这个/30位的子网，网络中可用的主机数为2,这两个IP地址号为连接两台路由器的端口使用。VLSM提高了路由汇总的能力。VLSM加强了IP地址的层次化结构设计，使路由表的路由汇总更加有效。例如：如图4-10中，路由器HQ的路由表中降到达172.16.14.0/24的网络及其子网的路由信息汇总成了一条172.16.144.0/24。也就是说,对于网络边界,路由器能够屏蔽掉子网的信息。VLSM的计算现在假设一个企业的分支机构被分配了一个子网地址172.16.32.0/20,而该分支机构共拥有10个用户。对/20的网络来说所能容纳的最大数超过了4000(212-2=4096)台，造成了非常多的地址资源的浪费。此时如果使用VLSM技术，就可以将原有一个子网地址划分了更多的