计算机网络基础课件：规划配置IP地址

规划配置IP地址第3单元学习了TCP/IP参考模型，其中，网络层的重要协议就是IP协议。1982年完成的IPv4（RFC791）定义了因特网在进行数据通信是可以应用的简单规则、版主处理数据的一组头以及寻址机制，成为了IP协议的标准。在以TCP/IP为通信协议的网络上，每一台主机都有一个唯一的IP地址。接下来，我们将要学习IP的定义、作用、分类，以及如何在局域网中为每一台设备配置IP地址。

【学习目标】掌握IP地址的定义和层次结构。掌握IP地址的表示方法。掌握IP地址的分类。掌握子网掩码、子网、超网的概念。能够通过计算完成IP子网的划分。能够对网络中设备的IP地址进行规划。5.1IP地址首先，我们对比一下邮局通信系统。在寄信的时候，邮局通过信封上的地址和邮政编码能将信件准确地送到对方手中。那么，在网络这个虚拟的世界中，数据是通过什么地址准确地送到目的主机的呢？在网络中，又是如何标识每一台主机呢？根据之前学过的知识，我们知道，在网络底层的传输过程中，是通过物理地址来识别每台设备的。比如，常见的以太网卡的MAC地址，是48位的二进制整数，具有全球唯一性。如某以太网卡的MAC地址为EO-69-95-B1-FD-B7。而在网络层，连入网络的每一台计算机都有一个由授权单位分配的地址，网络中的计算机根据计算机的网络地址进行相互识别和通信，这个地址就是IP地址。知识链接：IP地址与物理地址的区别：在不更换网络设备的前提下，主机的MAC地就像是地球上的经纬度，它是物理的，永远不会改变；而主机IP地址的指定则好像对某地址的命名，像街道号和门牌号那样，会随着城市的建设与发展而改变，它是逻辑的，是允许变化的。5.1.1IP地址的作用在IPv4协议下，每个IP地址都是由32位二进制数表示的，即4个字节，每个字节8位。如某设备的IP地址是11001010.01110000.01111000.00000001。为了方便表示一个IP地址，我们通常将每个字节转换为一个十进制整数，并有圆点符号“.”将每个十进制数分开，即“点分十进制”。如上例中的IP地址用点分十进制表示即：。一个IP地址用来表示网络中一个TCP/IP主机的唯一逻辑地址。在网络中，我们为什么不用物理地址，而要使用IP地址来标识每一台主机呢？5.1.1IP地址的作用1.IP地址便于屏蔽各种物理网络的地址差异每种物理网络都有各自的技术特点，其物理地址也各不相同，统一物理地址的表示方法不现实。2.IP地址便于根据网络需要进行更改设备的物理地址是固化在硬件之中的，无法轻易进行修改。而IP地址可以根据网络的具体情况进行配置，当网络结构更改时也可以方便地更改IP地址。3.IP地址便于层次化编址物理地址属于非层次化的地址，无法表示设备在网络中的层次地位。而IP地址是一个结构化的分层的地址。便于分层化的寻址。综上所述，对于各种物理网络地址的“统一”是通过IP地址在网络层完成的。TCP/IP提供了一种全网统一的地址格式，在统一方式的管理下进行地址分配，并且是物理地址的差异在网络层被屏蔽。5.1.2IP地址的层次结构IP地址是由32位二进制数组成的，在实际的IP编址中，我们采用了层次化的地址结构，即使用两级或三级的分层化寻址方案。一个IP地址由网络地址和主机地址两级组成，或者是由网络、子网和主机三个层级来组成。1.网络地址网络地址也称为网络号，它用来表示每一网络。同一个网络中的每一台计算机使用相同的网络地址。2.子网地址在三级层次结构中，我们引入子网的概念，表示将一个网络进一步划分为多个子网。3.主机地址主机地址又称为主机号，用来在一个网络中标识每一台主机设备。他是一个唯一的标识，也就是说，一个网络中每台主机的主机地址都是唯一的。通常我们看到的一个IP地址，都是由网络地址和主机地址两部分组成的，如图5-1所示。位数0

图5-1IP地址的二级层次而在需要的时候，我们会将网络地址进行进一步的划分，划分为网络地址和子网地址，如图5-2所示。位数0

网络地址主机地址网络地址子网地址主机地址5.1.3IP地址的表示方法1.二进制表示IP地址使用32位二进制数表示，如11001010.01110000.01111000.00000001。2.点分十进制表示法如前面提到的，IP地址是由32位二进制组成，为了方便表示，通常采用点分十进制表示法，即w.x.y.z。其中每位十进制数的取值范围应该为0-255。我们可以将上例中的二进制表示的IP地址转换为点分十进制表示，如图5-3所示。11001010011100000111100000000001

202.112.120.1图5-3点分十进制表示法5.1.4IP地址的分类因特网的设计者决定根据网络的规模大小来创建网络的类别，按照IP的规定，Internet上的地址分类A、B、C、D、E五类。各类IP地址的结构如图5-4所示。wxyz位123456789

1617

2425

32A类网络地址

主机地址

0

B类网络地址主机地址10

C类网络地址主机地址110

D类

多播地址1110

E类

保留11110

图5-4IP地址的分类1.A类IP地址A类IP地址是指用IP地址的第1字节即前8位来标识网络号，后3字节标识主机号。其中规定第1位是“0”。A类地址的网络地址为前8位，且第一位只能为0，所以A类网络的网络数仅有27-2即126个。计算网络数量和主机数量是需要减2的原因是去掉“全1”数和“全0”数，即俗称的“掐头去尾”，因为这两种地址另有特殊用途，我们将在下一节介绍。A类地址的网络规模最大，每个A类网络有24位用来标识主机号，所以每个A类网络最多可以容纳的主机数为224-2，即167772174个。

A类地址的理论地址范围是：~55，如图5-5所示。但是，由于要减去网络地址和主机地址中的“全1”和“全0”地址，所以，其实际有效地址范围是：~54，如图5-6所示。。图5-5A类IP地址的理论地址范围图5-6A类IP地址的有效地址范围A类地址的网络地址数量最少，而每个网络中可容纳的主机台数是最多的，它可以用于主机数达1600多万台的大型网络，目前主要提供给大型政府网络使用。2.B类IP地址B类IP地址是指用IP地址的前2字节即前16位来标识网络号，后2字节标识主机号。其中规定高2位是“10”。B类地址的网络地址为前16位，且高2位只能为10开头，所以A类网络的网络数应有214-2即16382个。B类地址的网络规模中等，每个B类网络有16位用来标识主机号，所以每个B类网络最多可以容纳的主机数为216-2，即65534个。B类地址的理论地址范围是：~55，如图5-7所示。但是，由于要减去网络地址和主机地址中的“全1”和“全0”地址，所以，其实际有效地址范围是：~54，如图5-8所示。图5-7B类IP地址的理论地址范围图5-8B类IP地址的有效地址范围3.C类IP地址C类IP地址是指用IP地址的前3字节即前24位来标识网络号，后1字节标识主机号。其中规定高3位是“110”。C类地址的网络地址为前24位，且高3位只能为110开头，所以A类网络的网络数应有221-2即2097152个。C类地址的网络规模较小，每个C类网络有8位用来标识主机号，所以每个C类网络最多可以容纳的主机数为28-2，即254个。C类地址的理论地址范围是：~55，如图5-9所示。但是，由于要减去网络地址和主机地址中的“全1”和“全0”地址，所以，其实际有效地址范围是：~54，如图5-10所示。图5-9C类IP地址的理论地址范围图5-10C类IP地址的有效地址范围C类地址的网络地址数量是所有地址类型中最多的，每个网络中可容纳的主机台数是最少的，它适用于中小型企业网络、校园网络等，是一类常用的IP地址。

4.D类IP地址D类IP地址第一个字节以“1110”开始，它是一个专门保留的地址。它并不区分的网络地址和主机地址，目前这一类地址被用在多点广播（Multicasting）中。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。

D类地址不标识网络地址，其地址覆盖范围为~55。知识链接：IP多播（Multicasting，也称多址广播或组播）技术，是一种允许一台或多台主机（多播源）发送单一数据包到多台主机（一次的，同时的）的TCP/IP网络技术。多播作为一点对多点的通信，是节省网络带宽的有效方法之一。

5.E类IP地址E类地址也不区分网络地址和主机地址，它的第1个字节的前五位固定为“11110”。E类地址范围：~55，它为将来使用保留，是一类保留地址。IP中对首字节为248~254的地址段没有规定和定义。6.A、B、C三类IP地址的比较要判断一个IP地址是属于哪一类IP，只要看它的第一个字节的取值。A、B、C三类地址的具体比较如表5-1所示。表5-1三类IP地址的比较类别高位取值第一字节范围网络地址长度主机地址长度适用的网络规模A01～126724大型网络B10128～1911416中型网络C110192～233218小型网络5.1.5特殊的IP地址1.全0地址四个字节都为0的地址是一个特殊的IP地址，它对应于当前主机。2.有限广播地址IP地址中的每一个字节都为全1的IP地址，即55，称为有限广播地址，也叫本地广播地址，有限广播将广播限制在最小的范围内，是用于本网的广播地址。

3.直接广播地址直接广播地址又叫广播地址，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。将一个IP地址的网络位不变，主机位的所有二进制位设置为全1，即得到这个地址的广播地址。如IP地址8，由它的第一字节取值可以分析出它是一个C类IP地址，所以它的主机位是第四字节，将第四字节的八位二进制数全部置为1，得到了该地址的广播地址，即55。4.网络地址将一个IP地址的网络位不变，主机位的所有二进制位设置为全0，即得到这个地址的网络地址。网络地址用来表示“本地网络”。如C类IP地址8，它的主机位是第四字节，将第四字节的八位二进制数全部置为0，得到了该地址的网络地址，即。知识链接：上一节中提到的，计算网络数量和主机数量是需要减2的原因是去掉“全1”数和“全0”数，即俗称的“掐头去尾”，因为这两种地址另有特殊用途。我们现在知道了，主机位全“1”地址即“广播地址”；主机位全“0”地址即“网络地址”，这就是为什么主机IP地址在使用中要减去2，即减去广播地址和网络地址，因为它们不是可用的主机IP地址。5.环回地址环回地址又叫“回送地址”，LoopbackAddress。网段，留做本机网卡测试使用。测试与环回地址的连通性相当于发送不离开主机的数据包，也就是说，这些数据包不会通过外部网络接口。例如:。我们用环回地址来测试本机的TCP/IP协议是否正常安装。需要注意的是，它是一个虚拟地址。是IP地址中内部的一种。是一个特殊的A类IP地址，网络地址是，我们经常使用的是这个地址，且赋给它一个名字：localhost。用“”就可以测试本机中配置的Web服务器。6.保留的私有地址私有地址（Privateaddress）属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。根据IETF的定义。以下列出留用的内部私有地址：A类--55B类--55C类--55知识链接：公有地址（Publicaddress）由InterNIC（InternetNetworkInformationCenter因特网信息中心）负责。这些IP地址分配给注册并向InterNIC提出申请的组织机构。通过它直接访问因特网。IETF是Internet工程任务组（InternetEngineeringTaskForce）的简写。IETF又叫互联网工程任务组，成立于1985年底，是全球互联网最具权威的技术标准化组织，主要任务是负责互联网相关技术规范的研发和制定，当前绝大多数国际互联网技术标准出自IETF。5.2子网掩码1.子网掩码（SubnetMasks）的定义我们已经知道，一个主机IP地址由两部分组成，网络地址和主机编号。子网掩码的目的就是区分IP地址中的网络地址和主机编号。2.子网掩码的取值子网掩码的设定必须遵循一定的规则。与二进制IP地址相同，子网掩码由1和0组成，且1和0分别连续。子网掩码的长度也是32位，左边是网络位，用二进制数字“1”表示，1的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字“0”表示，0的数目等于主机位的长度。 例如，二进制的11111111111111110000000000000000，这32位二进制数高16位为连续的“1”，低16位为连续的“0”。这是一个合法的子网掩码，即。3.子网掩码的表示1）点分十进制表示就如IP地址的表示一样，将32位二进制的掩码每8位转换成一个十进制数，并用“.”分开，这就是点分十进制的子网掩码。如二进制的11111111111111110000000000000000，点分十进制表示即。2）网络前缀标记法网络前缀标记法直接在IP地址后加上"/"符号以及1-32的数字，其中1-32的数字表示子网掩码中网络标识位的长度。这种表示法通常写在IP地址的后面。如IP地址的子网掩码是。这个子网掩码表示的网络位是16位，因此可以表示为/16。4.默认子网掩码对于A、B、C类IP地址来说，每类IP地址都默认对应了网络地址的位数。因此就有了默认子网掩码。对于A类地址来说，默认的子网掩码是；对于B类地址来说默认的子网掩码是；对于C类地址来说默认的子网掩码是。默认子网掩码的表示如表5-2所示表5-2默认子网掩码类别默认网络地址位数默认子网掩码（二进制表示）默认子网掩码（点分十进制表示）默认子网掩码（网络前缀表示）A811111111000000000000000000000000/8B1611111111111111110000000000000000/16C2411111111111111111111111100000000/245.子网掩码的功能子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。子网掩码主要有两个功能：（1）区分一个IP地址的网络地址和主机编号。（2）用于划分子网，讲一个大的网络划分为多个小的子网。实例1：公司内部某部门主机的IP地址为8，请计算该IP地址的广播地址、网络地址、有限广播地址、默认子网掩码。该网络中最多容纳多少台主机？该网络主机地址范围是多少？8是一个C类IP地址，它的网络地址为高24位，主机位为低8位，因此可得：（1）广播地址：主机位8位全1，即：55。（2）网络地址：主机位8位全0，即：。（3）有限广播地址：任何IP地址的有限广播地址均为31位全1，即55.（4）默认子网掩码：网络位24位的掩码对应为全1，主机位8位的掩码对应为全0，即 （5）网络内的主机数：主机位8位，因此主机数量为28-2=254台。 （6）主机地址范围：主机位8位的取值范围是1~254，因此主机IP地址范围是：~545.3IP子网划分及无分类编址1.子网的概念出于对管理、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连接起来。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。子网技术将一个IP地址从网络、主机两级结构升级为由网络、子网和主机三个层级来组成，如图5-11所示。位数

032

图5-11IP地址的三级层次如项目实施场景中的公司，共有5个部门，工程部和技术支持部，每个部门30个信息点。市场部、总务部、财务部，共25个信息点。也就是说该公司共计需要145个IP地址。我们如果不进行子网的划分，将所有设备放在一个网络中，就无法实现对于各个部门的分别管理；而一个C类网络可以容纳254台主机，我们如果每一个部门用一个C类网络，会造成很大的浪费。这种情况下，我们利用子网技术，将一个网络划进一步分成五个子网。2.子网划分的意义在计算机网络规划中，通过子网技术将一个大网络划分为多个子网，它的意义主要有一下几点。（1）充分使用地址。可以使IP地址的分配更充分有效。（2）划分管理职责。同一个大的网络相比，小的网络更便于管理，判断并排除一个小网络中的故障，要比大网络容易的多。（3）提高网络性能。覆盖面越大的单一网络，其性能越不稳定，会出现各种意想不到的问题。而多个相对范围较小的网络，会使系统更高效。3.子网的层次结构如前所述，子网技术将一个IP地址从网络、主机两级结构升级为由网络、子网和主机三个层级来组成。其具体的结构是将单个网络的主机位部分进一步分为两个部分，其中高位用于子网号编址，低位用于主机号编址，如图5-11所示。 网络号：确定了一个网络。 子网号：确定了这个网络中一个独立管理的子网。 主机号：确定了与子网相连的主机地址。子网划分的本质就是从一个网络地址的主机位中进一步划分出几位作为子网位，剩下的位成为新的主机位。划分子网位的位数取决于具体的需要：子网所占的比特越多，则可以分配给主机的位数就越少。如何来区分一个IP地址是否进行了子网划分呢？这就要用到子网掩码了。例如，某IP地址5，它是一个B类地址，默认的子网掩码是，即它的主机位是低16位。而如果同一个IP地址，它的子网掩码变成了，也就意味这第三字节的8位也成为了网络位，主机位只有8位了。这就是说，将这个网络进一步划分了子网，它的子网掩码改变了。 一个B类网络，将主机号分为两部分，其中，8位用于子网号，另外8位用于主机号，那么这个B类网络就被分为28-2=254个子网，每个子网可以容纳28-2=254台主机。4.超网技术子网划分在一定程度上缓解了Internet发展中遇到的IP地址的困难，然而，早在1992年，B类IP地址就已经分配了近一半，IP地址枯竭成为一个亟待解决的问题。与子网技术相反，超网(supernetting)是将几个小的网络组合在一起，形成一个大网络。一个C类网络可以容纳254台主机，这对于一些较大规模的公司或机构可能会不够用，一个解决办法就是将几个C类网络合并在一起，构成一个超网。与子网掩码相反，超网掩码中“1”的位数应该比对应地址的默认子网掩码少。把默认掩码中最右边的若干位1变成0，就得到了超网掩码，如图5-12所示，将默认掩码的网络位向左移四位作为主机位，得到了超网掩码。5.无分类编址无分类域间路由选择CIDR(ClasslessInterDomainRouting)，这个概念的提出是建立于“超网”的基础上。如前所述，“超级组网”是“子网划分”的反义词，可看作子网划分的逆过程。子网划分时，从地址主机部分借位，将其合并进网络部分；而在超级组网中，则是将网络部分的某些位合并进主机部分。 CIDR消除了传统的A类、B类、C类地址以及子网划分的概念，因为可以更加有效的分配IPv4地址空间。 CIDR使用各种不同长度的“网络前缀”来替代分类地址中的“网络号”和“主机号”。 CIDR中，IP地址从使用子网掩码的三级编址又回到了二级编址。它使用斜杠“/”记法，即在IP地址后面加一个“/”，然后写出网络前缀的位数。这个数值其实就是子网掩码中“1”的个数。CIDR的方法是ISP为公司、家庭客户等分配大量IP地址的基本方法，很大程度上缓解了IP地址的枯竭。在有类地址中，ISP在向其客户分配地址时只能以“/8”、“/16”、“/24”为单位来分配IP地址。而在CIDR环境中，ISP可以根据每个客户的具体情况进行分配。5.4地址解析协议1.ARP的概念和原理地址解析协议ARP（AddressResolutionProtocol）是获取物理地址的一个TCP/IP协议。它负责将某主机的IP地址解析为物理地址。 在OSI七层模型中，各层之间彼此不直接打交道，只通过接口传递信息。IP地址在第三层网络层，MAC地址在第二层数据链路层。协议在发生数据包时，得先封装第三层（IP地址），第二层（MAC地址）的报头,但协议只知道目的节点的IP地址，不知道其MAC地址，又不能跨第二、三层，所以得用ARP的服务将IP地址转换为MAC地址。假设网络中的主机A的IP地址为，MAC地址为00-11-22-33-44-AA。主机E的IP地址为，MAC地址为00-11-22-33-44-EE。 在TCP/IP协议中，A给E发送IP包，在报头中需要填写E的IP为目标地址，但这个IP包在以太网上传输的时候，还需要进行一次以太包的封装，在这个以太包中，目标地址就是E的MAC地址.A是如何得知E的MAC地址的呢？解决问题的关键就在于ARP协议。在A不知道E的MAC地址的情况下，A就广播一个ARP请求包，请求包中填有E的IP()，以太网中的所有计算机都会接收这个请求，而正常的情况下只有E会给出ARP应答包，包中就填充上了E的MAC地址，并回复给A。A得到ARP应答后，将E的MAC地址放入本机缓存，便于下次使用。其工作原理如图5-13所示。

2.RARP

RARP(反向地址解析协议，ReverseAddressResolutionProtocol)经常在无盘工作站上使用，它允许局域网的物理机器从网关服务器的ARP表或者缓存上请求其IP地址。其工作原理如图5-14所示。

图5-14RARP的工作原理首先，主机A发送一个本地的RARP广播，在此广播包中，声明自己的MAC地址并且请求任何收到此请求的RARP服务器分配一个IP地址；然后，本地网段上的RARP服务器收到此请求后，检查其RARP列表，查找该MAC地址对应的IP地址；如果存在，RARP服务器就给源主机发送一个响应数据包并将此IP地址提供给对方主机使用；如果不存在，RARP服务器对此不做任何的响应；最后，源主机A收到从RARP服务器的响应信息，就利用得到的IP地址进行通讯；如果一直没有收到RARP服务器的响应信息，表示初始化失败。5.5子项目4——规划配置公司各部门IP地址项目实施场景中，提到了公司一共租用了2层楼，五个部门，工程部和技术支持部在一层，每个部门30个信息点。市场部、总务部、财务部在2层，共25个信息点。公司使用一个C类内部IP地址段/24，现要将其进一步划分为五个子网，该如何进行划分。

1.实施思考本项目中使用同一个IP网段进行IP地址分配，不便于管理职责的划分，IP地址使用混乱，如图5-13所示。通过IP子网划分将每一个部门划分到不同的子网之中，便于网络的管理。2.实施步骤（1）确定需要用多少位子网位来标识每一个子网。在子网划分中，n位子网位可以标识2n-2个子网。即2位子网位可以表示22-2=2个子网，3位子网位可以表示23-2=6个子网，4位子网位可以表示24-2=14个子网。有项目需求可知，我们需要划分5个子网，所以至少要用3位作为子网位。（2）根据子网位数确定主机位数并计算主机数量是否满足要求。 在子网划分中，m位子网位可以标识2m-2个子网。C类网络中原本有8位主机位，现在借去3位作为子网位，所以主机位数为8-3=5位，计算可得每个子网最大主机数为25-2=30台，符合项目需求中每个部门的主机台数要求。 思考：若使用4位作为子网位也可以满足5个子网的需求，为什么不采用4位子网位呢？4位子网位则主机位数还剩8-4=4位，而4位主机位能容纳的最多主机台数为24-2=14台。而项目需求中的工程部和技术支持部每个部门都需要30台主机，14台主机的划分方法无法满足需求。（3）根据网络位数和主机位数确定子网掩码。子网掩码的取值：网络位的掩码为1，主机位的掩码为0。原本的C类网络，网络位数24位，主机位数8位，因此掩码为11111111.11111111.11111111.00000000即。经过子网划分之后，网络位多了3位，而主机位成了5位。即将最后8位的高3位置为1，低5位仍为0，得11111111.11111111.11