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1政府应急指挥系统的网络通信系统南开大学滨海学院法政学系电政专业张一鸣2015年5月12日12第四章政府应急管理计算机网络通信

南开大学滨海学院法政学系电政专业张一鸣2015年5月12日2本章主要内容了解应急指挥系统对网络的要求掌握IP地址标准分类标准与特殊的IP地址形式掌握子网地址规划方法掌握CDIR地址规划方法虚拟专用网VPN和网络地址转换NAT掌握内部网络IP地址规划与地址转换NAT方法34.1应急指挥系统对网络的要求

在城市应急指挥系统装备的网络通信、数据处理、控制指挥装备,属于整个应急指挥系统的支撑平台。是及时传递各种突发事件信息、调度各种救灾力量和指挥应急突发事件处理的基本保障,具有不可替代的关键作用。它包括有:基于程控电话交换机和计算机处理系统的呼叫中心、基于城域网和广域网的计算机网络技术、基于无线调度广播的数字集群通信系统,以及现场图形、图像和声音的实时采集与回送等数据传输技术。45政府应急指挥系统系统组成联动单位1120分中心122分中心119分中心110分中心联动单位N系统维护、数据更新、功能完善、需求变化计算机局域网络/有线数据网络/无线数据网络/Intranet/Internet操作系统、应用系统、开发平台基于WEB的应急信息服务系统数据维护系统应急指挥调度系统有无线通讯系统图像监控系统GPS系统大型显示系统交换机系统报警网络首长决策指挥系统应急政务系统现场图像传输电源及安全系统地图数据+属性数据数据库系统地理信息系统…52012年4月6防火墙防火墙政府应急指挥网络通信系统的模型PABXCTILINK录音系统GIS服务器调度台服务器数据库集群会议系统专家

辅助决策应急预案管理系统

报表系统指挥席位城市应急

指挥系统数据备份社会综合

服务系统防火墙防火墙防火墙110指挥分系统119指挥分系统120指挥分系统人防指挥分系统6城市应急指挥系统中通信层的位置72012年4月8城市应急指挥系统的层次模型政策与标准安全保障服务资源及数据库业务应用系统支撑平台82012年4月9物理安全保障信息资源安全保障计算机系统安全保障通信网络安全保障灾难备份中心防火防盗防人为破坏……计算机病毒黑客入侵端到端加密……双机热备份N+1冗余配置……多路由备份设备冗余配置通信网络备份……应急管理通信系统的安全保障94.2IP地址标准分类

网际协议IP是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一。与IP协议配套使用的还有四个协议:地址解析协议ARP(AddressResolutionProtocol)逆地址解析协议RARP(ReverseAddressResolutionProtocol)网际控制报文协议ICMP(InternetControlMessageProtocol)网际组管理协议IGMP(InternetGroupManagementProtocol)10网际层的IP协议及配套协议各种应用层协议

网络接口层(HTTP,FTP,SMTP等)物理硬件运输层TCP,UDP应用层ICMPIPRARPARP与各种网络接口网络层(网际层)IGMP11互连在一起的网络要进行通信,会遇到许多问题,如:不同的寻址方案不同的最大分组长度不同的网络接入机制不同的超时控制不同的差错恢复方法不同的状态报告方法不同的路由选择技术不同的用户接入控制不同的服务(面向连接服务和无连接服务)不同的管理与控制方式4.2.1虚拟互连网络12中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。物理层中继系统:转发器(repeater)。数据链路层中继系统:网桥或桥接器(bridge)。网络层中继系统:路由器(router)。网桥和路由器的混合物:桥路器(brouter)。网络层以上的中继系统:网关(gateway)。

把网络互相连接起来

要使用一些中间设备13当中继系统是转发器或网桥时,一般并不称之为网络互连,因为这仅仅是把一个网络扩大了,而这仍然是一个网络。网关由于比较复杂,目前使用得较少。互联网都是指用路由器进行互连的网络。由于历史的原因,许多有关TCP/IP的文献将网络层使用的路由器称为网关。网络互连使用路由器14互连网络与虚拟互连网络网络网络网络网络网络(a)互连网络(b)虚拟互连网络路由器

虚拟互连网络(互联网)15虚拟互连网络的意义所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络,它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的,但是我们利用IP协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。使用IP协议的虚拟互连网络可简称为IP网。使用虚拟互连网络的好处是:当互联网上的主机进行通信时,就好像在一个网络上通信一样,而看不见互连的各具体的网络异构细节。165432154321主机H1

主机H2R1R4R5R2R3R1R2R3H1R5H2R4间接交付间接交付间接交付间接交付间接交付直接交付3221132211322113221132211分组在互联网中的传送17从网络层看IP数据报的传送如果我们只从网络层考虑问题,那么IP数据报就可以想象是在网络层中传送。网络层网络层网络层网络层网络层网络层网络层IP数据报H1R1R2R3R4R5H2184.2.2分类的IP地址

1.IP地址及其表示方法我们把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络。IP地址就是给每个连接在因特网上的主机(或路由器)分配一个在全世界范围是唯一的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

(InternetCorporationforAssignedNamesandNumbers)进行分配19IP地址的编址方法分类的IP地址。这是最基本的编址方法,在1981年就通过了相应的标准协议。子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进,其标准[RFC950]在1985年通过。构成超网。这是比较新的无分类编址方法。1993年提出后很快就得到推广应用。20分类IP地址每一类地址都由两个固定长度的字段组成,其中一个字段是网络号net-id,它标志主机(或路由器)所连接到的网络,而另一个字段则是主机号host-id,它标志该主机(或路由器)。两级的IP地址可以记为:IP地址::={<网络号>,<主机号>}(4-1)::=代表“定义为”21net-id24位host-id24位net-id16位net-id8位IP地址中的网络号字段和主机号字段0A类地址host-id16位B类地址C类地址011host-id8位D类地址1

1

1

0多播地址E类地址保留为今后使用1

1

1

10122点分十进制记法10000000000010110000001100011111机器中存放的IP地址是32位二进制代码10000000000010110000001100011111每隔8位插入一个空格能够提高可读性采用点分十进制记法则进一步提高可读性1128

11331将每8位的二进制数转换为十进制数23常用的三种类别的IP地址IP地址的使用范围

网络最大第一个最后一个每个网络类别网络数可用的可用的中最大的网络号网络号主机数

A126(27–2)112616,777,214B16,383(214

1)128.1191.25565,534C2,097,151(2211)192.0.1218.255.25525424IP地址的一些重要特点(1)IP地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是:第一,IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号,而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了IP地址的管理。第二,路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组(而不考虑目的主机号),这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少,从而减小了路由表所占的存储空间。25IP地址的一些重要特点(续1)(2)实际上IP地址是标志一个主机(或路由器)和一条链路的接口。当一个主机同时连接到两个网络上时,该主机就必须同时具有两个相应的IP地址,其网络号net-id必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomedhost)。由于一个路由器至少应当连接到两个网络(这样它才能将IP数据报从一个网络转发到另一个网络),因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址。26(3)用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络,因此这些局域网都具有同样的网络号net-id。(4)所有分配到网络号net-id的网络,范围很小的局域网,还是可能覆盖很大地理范围的广域网,都是平等的。IP地址的一些重要特点(续2)27互联网中的IP地址B222.1.1.R1222.1.2.R3R2222.1.3.LAN3N3N222.1.6.N1LAN2LAN1互联网在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的。图中的网络号就是IP地址中的net-id28IP1HA1HA5HA4HA3HA6HA2IP6主机H1主机H2路由器R1IP层上的互联网IP2IP4IP3IP5路由器R2IP1→IP2IP1→IP2IP1→IP2MAC帧从HA1

到HA3从HA4

到HA5从HA6

到HA2MAC帧MAC帧IP数据报IP层抽象的互联网屏蔽了下层很复杂的细节在抽象的网络层上讨论问题,就能够使用统一的、抽象的IP地址研究主机和主机或主机和路由器之间的通信294.3

标准与特殊的IP地址形式标准的IP地址由32位二进制数值组成(4个字节),但为了方便用户的理解和记忆,它采用了点分十进制标记法,即将4个字节的二进制数值转换为4个十进制数值,每个数值小于等于255,数值中间用“.”隔开,表示为w.x.y.z的形式。如下图所示。30IP地址的直观表示法第一字节第二字节第三字节第四字节w.x.y.z例如,二进制IP地址:字节1字节2字节3字节4

11001010010111010111100000101100用点分十进制标记法表示成:4它为一个C类IP地址,前3个字节为网络号,后一字节为主机号31特殊的IP地址形式1.网络地址:包含一个有效的网络号和一个全“0”的主机号,用来表示一个具体的网络。如一个具有IP地址4的主机所处的网络为,它的主机号为44。2.广播地址:IP具有两种广播地址形式:直接广播地址和有限广播地址。直接广播地址包含一个有效的网络号和一个全“1”的主机号,其作用是向互联网上的其他主机广播信息。如C类地址55就是一个直接广播地址,互联网上的主机可以使用该地址向网络上的所有主机广播信息。32位全为“1”的IP地址(55)为有限广播地址,用于本网广播。若采用标准的IP编址,有限广播在本网之中;若采用子网编址,有限广播在本子网之中。32特殊的IP地址形式3.回送地址:A类地址是一个保留地址,用于网络软件测试及本机器进程间通信,称为回送地址。一旦使用回送地址发送数据,协议软件不进行任何网络传输,立即将之返回,含有127网络号的数据报不可能出现在任何网络上。4.本地地址:有些IP地址不分配给互联网用户,如10.XXX.XXX.XXX、192.168.XXX.XXX,可在本地内部互联网中使用。一旦与互联网互联,必须将这些IP地址转换为可在互联网中使用的IP地址。331.从两级IP地址到三级IP地址在ARPANET的早期,IP地址的设计不够合理。IP地址空间的利用率有时很低,浪费太多。给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏。两级的IP地址不够灵活。4.4子网地址规划方法34按照标准分类的IP地址,如果是只有2台主机的网络需要连接到互联网上,就需要申请一个C类地址,则此C类地址的有效利用率只有2/255=0.78%。而又256台主机的网络,就需要申请一个B类地址。则此B类地址的有效利用率只有256/65535=0.39%。可见其利用率非常低下。标准分类IP地址的缺陷35从1991年起在IP地址中又增加了一个“子网号字段”,即把一个大的网络划分为几个较小的网络,使两级的IP地址变成为“网络号-子网号-主机号”的三级的IP地址。这种做法叫作划分子网(subnetting)。划分子网已成为因特网的正式标准协议。三级的IP地址36划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。从主机号借用若干个位作为子网号

subnet-id,而主机号host-id也就相应减少了若干个位。

IP地址::={<网络号>,<子网号>,<主机号>}(4-2)划分子网的基本思路37凡是从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报,仍然是根据IP数据报的目的网络号

net-id,先找到连接在本单位网络上的路由器。然后此路由器在收到IP数据报后,再按目的网络号net-id和子网号subnet-id找到目的子网。最后就将IP数据报直接交付目的主机。划分子网的基本思路(续)38………01014568所有到网络的分组均到达此路由器我的网络地址是R1R3R2网络一个未划分子网的B类网络39划分为三个子网后对外仍是一个网络01014568………子网子网

子网所有到达网络的分组均到达此路由器网络R1R3R240当没有划分子网时,IP地址是两级结构。划分子网后IP地址就变成了三级结构。划分子网只是把IP地址的主机号host-id这部分进行再划分,而不改变IP地址原来的网络号net-id。划分子网后变成了三级结构41从一个

IP

数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分。使用子网掩码(subnetmask)可以找出IP地址中的子网部分。2.子网掩码42IP地址的各字段和子网掩码0两级IP地址子网号为3的网络的网络号三级IP地址主机号子网掩码net-idhost-id子网的网络地址1111111111111111

11111111000000000net-idsubnet-idhost-id3.33.1043(IP

地址)AND(子网掩码)=

网络地址网络号net-id主机号host-id两级IP地址网络号三级IP地址主机号net-idhost-idsubnet-id子网号子网掩码子网的网络地址1111111111111111

1111111100000000net-idsubnet-id0逐位进行AND运算44111111111111111111111111000000000000000000000000111111111111111111111111000000000000000000000000net-idnet-idhost-id为全0net-id网络地址A类地址默认子网掩码网络地址B类地址默认子网掩码网络地址C类地址默认子网掩码host-id为全0host-id为全0默认子网掩码45子网掩码是一个重要属性子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。路由器在和相邻路由器交换路由信息时,必须把自己所在网络(或子网)的子网掩码告诉相邻路由器。路由器的路由表中的每一个项目,除了要给出目的网络地址外,还必须同时给出该网络的子网掩码。若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网络地址和两个子网掩码。46141.14.010000001111111111111111

11000000【例4-2】已知IP地址是4,子网掩码是。试求网络地址。(a)点分十进制表示的IP地址(c)子网掩码是000000004.001001000141.14..24(b)IP地址的第3字节是二进制(d)IP地址与子网掩码逐位相与(e)网络地址(点分十进制表示)47141.14.010000001111111111111111

11100000【例4-3】在上例中,若子网掩码改为。试求网络地址,讨论所得结果。(a)点分十进制表示的IP地址(c)子网掩码是000000004.001001000141.14..24(b)IP地址的第3字节是二进制(d)IP地址与子网掩码逐位相与(e)网络地址(点分十进制表示)不同的子网掩码得出相同的网络地址。但不同的掩码的效果是不同的。

48划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难。然而在

1992

年因特网仍然面临三个必须尽早解决的问题,这就是:B类地址在1992年已分配了近一半,眼看就要在1994年3月全部分配完毕!因特网主干网上的路由表中的项目数急剧增长(从几千个增长到几万个)。整个IPv4的地址空间最终将全部耗尽。4.5

无分类编址CIDR

1.网络前缀

49

1987年,RFC1009就指明了在一个划分子网的网络中可同时使用几个不同的子网掩码。使用变长子网掩码VLSM(VariableLengthSubnetMask)可进一步提高IP地址资源的利用率。在VLSM的基础上又进一步研究出无分类编址方法,它的正式名字是无分类域间路由选择CIDR(ClasslessInter-DomainRouting)。IP编址问题的演进50CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念,因而可以更加有效地分配IPv4的地址空间。CIDR使用各种长度的“网络前缀”(network-prefix)来代替分类地址中的网络号和子网号。IP地址从三级编址(使用子网掩码)又回到了两级编址。CIDR最主要的特点51

无分类的两级编址的记法是:IP地址::={<网络前缀>,<主机号>}(4-3)CIDR还使用“斜线记法”(slashnotation),它又称为CIDR记法,即在IP地址面加上一个斜线“/”,然后写上网络前缀所占的位数(这个数值对应于三级编址中子网掩码中1的个数)。CIDR把网络前缀都相同的连续的IP地址组成“CIDR地址块”。

无分类的两级编址52

CIDR地址块/20表示的地址块共有212个地址(因为斜线后面的20是网络前缀的位数,所以这个地址的主机号是12位)。这个地址块的起始地址是。在不需要指出地址块的起始地址时,也可将这样的地址块简称为“/20地址块”。/20地址块的最小地址:/20地址块的最大地址:55全0和全1的主机号地址一般不使用。53/20表示的地址(212个地址)1000000000001110

00100000000000001000000000001110

00100000000000011000000000001110

00100000000000101000000000001110

00100000000000111000000000001110

00100000000001001000000000001110

00100000000001011000000000001110

00101111111110111000000000001110

00101111111111001000000000001110

00101111111111011000000000001110

00101111111111101000000000001110

0010111111111111所有地址的20位前缀都是一样的最小地址最大地址54

一个CIDR地址块可以表示很多地址,这种地址的聚合常称为路由聚合,它使得路由表中的一个项目可以表示很多个(例如上千个)原来传统分类地址的路由。路由聚合也称为构成超网(supernetting)。CIDR虽然不使用子网了,但仍然使用“掩码”这一名词(但不叫子网掩码)。对于

/20

地址块,它的掩码是

20

个连续的1。斜线记法中的数字就是掩码中1的个数。路由聚合(routeaggregation)55

CIDR记法的其他形式/10可简写为10/10,也就是把点分十进制中低位连续的0省略。/10隐含地指出IP地址

的掩码是。此掩码可表示为

1111111111000000000000000000000025519200掩码中有10个连续的156

CIDR记法的其他形式/10可简写为10/10,也就是将点分十进制中低位连续的0省略。/10相当于指出IP地址

的掩码是,即

11111111110000000000000000000000网络前缀的后面加一个星号*的表示方法如0000101000*,在星号*之前是网络前缀,而星号*表示IP地址中的主机号,可以是任意值。57

构成超网前缀长度不超过18

位的CIDR地址块都包含了多个C类地址。这些C类地址合起来就构成了超网。CIDR地址块中的地址数一定是2的整数次幂。网络前缀越短,其地址块所包含的地址数就越多。而在三级结构的IP地址中,划分子网是使网络前缀变长。58CIDR地址块划分举例因特网/22/18ISP大学X一系二系三系四系28/2692/26/2528/25/2528/25/264/2628/2692/26/24/25/264/2628/25/18

单位地址块二进制表示地址数

ISP/1811001110.00000000.01*16384

大学/2211001110.00000000.010001*1024

一系/1811001110.00000000.0100010*512

二系/2411001110.00000000.01000110.*256

三系/2511001110.00000000.01000111.0*128

四系28/2511001110.00000000.01000111.1*12859

CIDR地址块划分举例因特网/22/18ISP大学X一系二系三系四系28/2692/26/2528/25/2528/25/264/2628/2692/26/24/25/264/2628/25/18这个ISP共有64个C类网络。如果不采用CIDR技术,则在与该ISP的路由器交换路由信息的每一个路由器的路由表中,就需要有64个项目。但采用地址聚合后,只需用路由聚合后的1个项目/18就能找到该ISP。60

2.最长前缀匹配使用CIDR时,路由表中的每个项目由“网络前缀”和“下一跳地址”组成。在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果。应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由:最长前缀匹配(longest-prefixmatching)。网络前缀越长,其地址块就越小,因而路由就越具体(morespecific)

。最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配。

61最长前缀匹配举例收到的分组的目的地址D=28路由表中的项目:/22(ISP)

28/25(四系)查找路由表中的第1个项目ANDD=206.0.01000100.0第1个项目/22的掩码M

有22个连续的1。M=11111111111111111111110000000000因此只需把D

的第3个字节转换成二进制。M=11111111111111111111110000000000206.0.01000100.0与/22匹配62最长前缀匹配举例收到的分组的目的地址D=28路由表中的项目:/22(ISP)

28/25(四系)再查找路由表中的第2个项目ANDD=0000000第2个项目28/25的掩码M

有25个连续的1。M=11111111111111111111111110000000因此只需把D

的第4个字节转换成二进制。M=111111111111111111111111100000000000000与28/25匹配63

最长前缀匹配DAND(11111111111111111111110000000000)=/22匹配DAND(11111111111111111111111110000000)=28/25匹配选择两个匹配的地址中更具体的一个,即选择最长前缀的地址。

64

3.使用二叉线索查找路由表当路由表的项目数很大时,怎样设法减小路由表的查找时间就成为一个非常重要的问题。为了进行更加有效的查找,通常是将无分类编址的路由表存放在一种层次的数据结构中,然后自上而下地按层次进行查找。这里最常用的就是二叉线索(binarytrie)。IP地址中从左到右的比特值决定了从根结点逐层向下层延伸的路径,而二叉线索中的各个路径就代表路由表中存放的各个地址。为了提高二叉线索的查找速度,广泛使用了各种压缩技术。65

用5个前缀构成的二叉线索32位的IP地址唯一前缀010001100000000000000000000000000100010101100000000000000000000000000101011000010000000000000000000000000111011000000000010000000000000000010110101110110000101000000000000000001011100001111111066

4.6

虚拟专用网VPN和

网络地址转换NAT

4.6.1虚拟专用网VPN本地地址——仅在机构内部使用的IP地址,可以由本机构自行分配,而不需要向因特网的管理机构申请。全球地址——全球唯一的IP地址,必须向因特网的管理机构申请。67

RFC1918指明的专用地址(privateaddress)

到55

到55

到55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的主机通信。专用地址只能用作本地地址而不能用作全球地址。在因特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。68X用隧道技术实现虚拟专用网部门A因特网部门BR1R2隧道Y使用隧道技术本地地址本地地址全球地址网络地址=(本地地址)网络地址=(本地地址)69X用隧道技术实现虚拟专用网部门A因特网部门BR1R2隧道Y使用隧道技术加密的从

X

Y

的内部数据报外部数据报的数据部分源地址:目的地址:数据报首部部门A部门BXYR1R2虚拟专用网VPN70内联网intranet和外联网extranet

(都是基于TCP/IP协议)

由部门A和B的内部网络所构成的虚拟专用网VPN又称为内联网(intranet),表示部门A和B都是在同一个机构的内部。一个机构和某些外部机构共同建立的虚拟专用网VPN又称为外联网(extranet)。

部门A部门BXYR1R2虚拟专用网VPN71

远程接入VPN

(remoteaccessVPN)

有的公司可能没有分布在不同场所的部门,但有很多流动员工在外地工作。公司需要和他们保持联系,远程接入VPN可满足这种需求。在外地工作的员工拨号接入因特网,而驻留在员工PC机中的VPN软件可在员工的PC机和公司的主机之间建立VPN隧道,因而外地员工与公司通信的内容是保密的,员工们感到好像就是使用公司内部的本地网络。72

4.6.2网络地址转换NAT

(NetworkAddressTranslation)网络地址转换NAT方法于1994年提出。需要在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件。装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器,它至少有一个有效的外部全球地址IPG。所有使用本地地址的主机在和外界通信时都要在NAT路由器上将其本地地址转换成IPG

才能和因特网连接。

73

网络地址转换的过程内部主机X用本地地址IPX和因特网上主机Y通信所发送的数据报必须经过NAT路由器。NAT路由器将数据报的源地址IPX转换成全球地址IPG,但目的地址IPY保持不变,然后发送到因特网。NAT路由器收到主机Y发回的数据报时,知道数据报中的源地址是IPY而目的地址是IPG。根据NAT转换表,NAT路由器将目的地址IPG转换为IPX,转发给最终的内部主机X。744.7内部网络IP地址规划

4.7.1全局IP地址与专用IP地址全局IP地址与专用IP地址的区别主要表现在:(1)使用IP地址的网络课分为两种情况:一是将网络直接连接到互联网;另一种是不直接连到互联网,也使用TCP/IP协议,但是内部网络。

每台连接到互联网的用户主机都需要有一个标准的全局IP地址,它是分组时在互联网上传输时使用的IP地址。专用IP地址只能用于一个机构,单位的内部网络,不能用于互联网上。75全局IP地址与专用IP地址的区别(2)使用全局IP地址是需要申请并缴费的,而专用IP地址是不需要申请的,也不需要缴费。互联网管理机构在IP地址空间中预留了一些空间地址给专用网络使用。具体参见下表。类网络号总数A101B172.16~172.3116C192.168.0~192.168.25525676全局IP地址与专用IP地址的区别(3)全局IP地址是必须保证在互联网上是唯一的,而专用IP地址在某一个网络内部是唯一的,但是在互联网中并不是唯

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