第4講 IP地址規(guī)劃和管理VIP

.,網(wǎng)絡(luò)組建與管理,.,學(xué)習(xí)目標(biāo)熟悉計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的編址方法掌握IP編址的特點掌握掩碼、子網(wǎng)、子網(wǎng)掩碼等常用概念掌握IP地址的劃分和管理方法培養(yǎng)規(guī)劃和管理IP網(wǎng)絡(luò)的能力,第4講IP地址規(guī)劃和管理,.,重點難點掌握掩碼、子網(wǎng)、子網(wǎng)掩碼等常用概念掌握IP地址的劃分和管理方法培養(yǎng)規(guī)劃和管理IP網(wǎng)絡(luò)的能力,第4講IP地址規(guī)劃和管理,.,4.1計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的編址,網(wǎng)絡(luò)編址的目的是給網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點一個唯一的標(biāo)識，實現(xiàn)不同節(jié)點之間的身份識別。每一種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)都有自己的編址方案，每一種編址方案都確定了地址長度，利用MAC地址的長度為48bit、IPv4的地址長度為32bit、IPv6的地址長度為128bit、IPX的地址長度為80bit、Appletalk的地址長度為24bit等。本節(jié)主要介紹TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中涉及到的幾種地址及相互之間的關(guān)系。,.,4.1.1TCP/IP中的地址關(guān)系,在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中存在3種地址，分別為物理地址（MAC地址）、邏輯地址（IP地址）和端口地址，如圖4.1所示。,.,4.1.2物理地址,這里所講的物理地址其實是屬于數(shù)據(jù)鏈路層的地址（物理層是無法設(shè)置地址的），是標(biāo)識通信節(jié)點時使用的最底層地址，該地址由所在的局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)定義，包含在數(shù)據(jù)鏈路層的幀中。物理地址用于同一局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)內(nèi)部的通信，地址長度和格式由局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)的類型來確定。物理地址可以是單播地址、組播地址或廣播地址，具體由不同的網(wǎng)絡(luò)類型來確定。,.,4.1.3邏輯地址,物理地址僅適用于在同一局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)內(nèi)部計算機(jī)之間的通信。如果要實現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層使用不同編址方式的計算機(jī)之間的通信，僅使用物理地址是無法完成這一操作的，而需要使用邏輯地址。邏輯地址是一種通用的編址系統(tǒng)，用來唯一的標(biāo)識每一個節(jié)點（主機(jī)），而與這一節(jié)點具體使用什么類型的物理網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。,.,4.1.4端口地址,有了物理地址和邏輯地址，就可以將數(shù)據(jù)從一臺主機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到另一臺主機(jī)。但是數(shù)據(jù)到達(dá)目的主機(jī)后并未完成整個通信過程，而必須將數(shù)據(jù)上交給對應(yīng)的應(yīng)用進(jìn)程（應(yīng)用程序）。在實際應(yīng)用中，用戶并不關(guān)心主機(jī)之間的通信，而關(guān)心的是運行在主機(jī)上的應(yīng)用程序之間的通信，例如從一臺計算機(jī)上利用Telnet遠(yuǎn)程登錄到另一臺計算機(jī)，或在一臺計算機(jī)上使用FTP軟件從另一臺計算機(jī)上下載文件等。端口地址也稱為端口號，其功能就是建立應(yīng)用進(jìn)程與邏輯地址之間的關(guān)系。為了提高通信效率，現(xiàn)代計算機(jī)操作系統(tǒng)允許在同一臺計算機(jī)上同時打開多個應(yīng)用進(jìn)程，每一個應(yīng)用進(jìn)程獨立完成自己的通信任務(wù)，例如利用瀏覽器瀏覽Web頁面的同時，可能利用FTP客戶端軟件下載文件，還可能利用郵件客戶端軟件收發(fā)電子郵件等。為了實現(xiàn)對同時發(fā)生的多種應(yīng)用的支持，就需要為不同的進(jìn)程分別分配不同的標(biāo)識，不同的標(biāo)識代表不同的端口地址。在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中，端口地址的長度為16bit，地址在065535之間。,.,4.2.1IP地址與接口地址,我們通常將位于主機(jī)中的網(wǎng)卡與鏈路之間的邊界稱為“接口”（interface）。只要給接口分配一個唯一的IP地址，就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信過程中的尋址。對于接入網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)來說一般只有一個接口，而一臺路由器則同時具有多個接口，每一個接口連接一個網(wǎng)絡(luò)并擁有一個唯一的IP地址。連接到同一網(wǎng)絡(luò)中的每一臺設(shè)備至少需要一個唯一的IP地址。連接到同一網(wǎng)絡(luò)中的任何兩臺設(shè)備不能使用相同的IP地址。IP地址與網(wǎng)絡(luò)接口相關(guān)聯(lián)。如果一臺設(shè)備分別連接到兩個以上的網(wǎng)絡(luò)，那么該設(shè)備必須擁有兩個以上的IP地址，并分別與設(shè)備上連接不同網(wǎng)絡(luò)的接口關(guān)聯(lián)。,4.2IP地址的標(biāo)識,.,4.2.2網(wǎng)絡(luò)地址與主機(jī)地址,圖4.3網(wǎng)絡(luò)地址與主機(jī)地址,.,4.3.1IPv4的地址空間,4.3IP地址的分類,.,標(biāo)準(zhǔn)IP地址的分類有其遵循的規(guī)律，主要是根據(jù)32位地址的前8位地址段。根據(jù)前8位地址段的不同可以將IP地址分為A、B、C、D和E類共5類。1A類地址A類地址是網(wǎng)絡(luò)中最大的一類地址，它使用IP地址中的第一個8位組表示網(wǎng)絡(luò)地址，其余三個8位組表示主機(jī)地址。A類地址是為巨型網(wǎng)絡(luò)（或超大型網(wǎng)絡(luò)）所設(shè)計的。A類地址的第一個8位組的第一位總是被設(shè)置為0，這就限制了A類地址的第一個8位組的值始終小于127，也就是說僅有127個可能的A類網(wǎng)絡(luò)，如圖4.5所示。,4.3.2標(biāo)準(zhǔn)IP地址的分類特點,.,2B類地址,B類地址使用前兩個8位組表示網(wǎng)絡(luò)地址，后兩個8位組表示主機(jī)地址。設(shè)計B類地址的目的是支持中到大型網(wǎng)絡(luò)。B類地址的第一個8位組的前兩位總是被設(shè)置為10，所以B類地址的范圍是從到，如圖4.6所示。,.,3C類地址,C類地址使用前三個8位組表示網(wǎng)絡(luò)地址，最后一個8位組表示主機(jī)地址。設(shè)計C類地址的目的是支持大量的小型網(wǎng)絡(luò)，因為這類地址擁有的網(wǎng)絡(luò)數(shù)目很多，而每個網(wǎng)絡(luò)所擁有的主機(jī)數(shù)卻很少。C類地址的第一個8位組的前三位總是被設(shè)置為110，所以C類地址的范圍是從到，如圖4.7所示。,.,4D類地址,D類地址用于IP網(wǎng)絡(luò)中的組播。它不像A、B、C類地址有網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號，一個組播地址標(biāo)識了一個IP地址組。因此可以同時把一個數(shù)據(jù)流發(fā)送到多個接收端，這比為每個接收端創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)流的流量小得多，它可以有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。D類地址的第一個8位組的前四位總是被設(shè)置成1110，所以D類地址的范圍是從到55，如圖4.8所示,.,5E類地址,E類地址雖然被定義，但卻為IETF（InternetEngineeringTaskForce，Internet工程任務(wù)組）保留作研究使用，因此Internet上沒有可用的E類地址。E類地址的第一個8位組的前4位恒為1，因此有效的地址范圍從到55，如圖4.9所示。,.,4.4.1標(biāo)準(zhǔn)IP地址劃分存在的主要問題,1路由器的效率問題路由表中路由信息的數(shù)量（可用路由表的長度來表示）將隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的增加而增大。而路由表越長，當(dāng)接收到一個分組時路由器在路由表中查詢正確路由的時間就會越長。對于Intranet來說，當(dāng)一臺路由器連接幾十至幾百個網(wǎng)絡(luò)時，路由器的選路可能不是問題。但是，如果在Internet上，一臺路由器可能要連接成千上萬個網(wǎng)絡(luò)，路由表的長度將會非常大。當(dāng)路由器接收到一個分組后，在如此之大的路由表中進(jìn)行地址查詢，其效率是可想而知的。雖然可以通過提高路由器的硬件處理能力在一定程度上提高選路的效率，而是硬件性能的提升也是有限的。有時，路由器硬件性能的提升還跟不上路由表的增長速度。,4.4標(biāo)準(zhǔn)IP地址劃分存在的問題及彌補方案,.,2IP地址的浪費問題,隨著大量個人計算機(jī)和單位局域網(wǎng)接入到Internet，初期的Internet編址方案已經(jīng)無法適應(yīng)目前數(shù)量如此之大的用戶需求。究其IPv4的使用，主要是浪費非常嚴(yán)重。例如，一個大型企業(yè)或組織可能在連接1000臺左右的計算機(jī)，于是申請了一個B類地址。但是，一個B類地址可以同時提供65536（216）個主機(jī)地址，這種浪費是很顯然的。如果使用標(biāo)準(zhǔn)IP地址，當(dāng)僅有2臺計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)就需要申請一個C類地址，而一個C類地址可同時提供256（28）個主機(jī)地址，造成了很大的浪費。從實際應(yīng)用來看，IP地址的利用率不可能達(dá)到100%，但標(biāo)準(zhǔn)IP地址的劃分方法造成的地址浪費非常嚴(yán)重，其中B類地址的空間浪費要比C類地址突出，A類地址的空間浪費要比B類地址突出。,.,4.4.2對標(biāo)準(zhǔn)IP地址劃分中存在問題的彌補方案,1991年研究人員提供了子網(wǎng)（subnet）劃分的概念（詳見RFC950）。子網(wǎng)劃分方案允許從主機(jī)位中取出部分位用作子網(wǎng)位，這樣可以將一個標(biāo)準(zhǔn)的IP網(wǎng)絡(luò)劃分成幾個小的網(wǎng)絡(luò)，從而將“網(wǎng)絡(luò)ID+主機(jī)ID”二層結(jié)構(gòu)變成“網(wǎng)絡(luò)ID+子網(wǎng)ID+主機(jī)ID”的三層結(jié)構(gòu)，以提高IP地址的利用率。劃分子網(wǎng)的一個好處是可以將一個標(biāo)準(zhǔn)的IP地址（IP網(wǎng)絡(luò)）根據(jù)需要劃分為不同的幾個子網(wǎng)絡(luò)。子網(wǎng)劃分有助于在一個單位內(nèi)部組織其業(yè)務(wù)流，同時可以使來自外部的源分組的選路更簡單。外部的源分組無需知道目的子網(wǎng)的任何情況，因為所有的子網(wǎng)是在同一個標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)地址下，且所有發(fā)往該網(wǎng)絡(luò)中任何地址的分組都首先要經(jīng)過一個路由器，然后由該路由器決定把數(shù)據(jù)向哪個子網(wǎng)發(fā)送。,.,2無類別域間路由,無類別域間路由（CIDR）技術(shù)是在1993年提出（詳見RFC1519文檔），也稱為“超網(wǎng)”（supernet）技術(shù)。CIDR實現(xiàn)思想正好與劃分子網(wǎng)相反，它是將現(xiàn)有的IP地址合并成較大的、具有更多主機(jī)的路由域。例如，可以將單位內(nèi)部所有的C類IP地址進(jìn)行合并，形成一個類似于B類地址的更大地址范圍的路由域。采用CIDR的主要目的是減小主干網(wǎng)的路由表條目，從而減小路由器的運行負(fù)荷，提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。,.,3網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換,網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行地址的轉(zhuǎn)換，該系統(tǒng)（一般為防火墻或路由器）了解內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上所有主機(jī)的地址，并將其轉(zhuǎn)換（翻譯）為可訪問公用網(wǎng)絡(luò)的合法地址，這樣所有的內(nèi)部主機(jī)就可以與外部主機(jī)進(jìn)行通信。NAT為一些中小型網(wǎng)絡(luò)用戶提供了一種自己管理其地址空間的簡單方法，無需依賴于地址授權(quán)機(jī)構(gòu)為他們現(xiàn)在及將來的需要來分配足夠的地址空間。NAT技術(shù)于1996年提出，在RFC2993和RFC3022文檔中進(jìn)行了詳細(xì)描述。,.,4.5.1子網(wǎng)掩碼,掩碼由32位0和1組成，與IP地址的組成相似，既可以用二進(jìn)制表示，也可以用點分十進(jìn)制表示。與IP地址的表示不同的是，在實際應(yīng)用中表示掩碼的1是連續(xù)的，而不是由0和1混合組成（從表4.1中就可以看出）。掩碼包含了兩個域（即組成部分）：網(wǎng)絡(luò)域和主機(jī)域，這些域分別代表網(wǎng)絡(luò)ID和主機(jī)ID，如圖4.10所示。,4.5掩碼,.,掩碼用于劃分IP地址的哪些位屬于網(wǎng)絡(luò)ID，哪些位屬于主機(jī)ID。每一類IP地址都有缺省的掩碼，A類地址的缺省掩碼為，B類地址的缺省掩碼為，C類地址的缺省掩碼為。前面我們介紹的是掩碼的缺省狀態(tài)，大家會發(fā)現(xiàn)每一類IP地址僅有一個缺省的掩碼。這在實際的IP地址管理中是很不實用的，我們經(jīng)常要根據(jù)應(yīng)用和管理的需要重新劃分IP地址的網(wǎng)絡(luò)ID和主機(jī)ID，這時就引入了子網(wǎng)掩碼的概念。子網(wǎng)掩碼主要用于子網(wǎng)的劃分。,.,從圖4.11可以看出，有了子網(wǎng)腌碼，原來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和層次便發(fā)生了變化。具體來說，在使用了子網(wǎng)掩碼后，原來從“網(wǎng)絡(luò)ID+主機(jī)ID”的二層結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)換成從“網(wǎng)絡(luò)ID+子網(wǎng)ID+主機(jī)ID”的三層結(jié)構(gòu)。,.,4.5.2子網(wǎng)掩碼的確定方法,子網(wǎng)掩碼實際上是一個過濾碼，將IP地址和子網(wǎng)掩碼“按位求與”就可以過濾出IP地址中應(yīng)該作為網(wǎng)絡(luò)地址的那一部分.,經(jīng)過與運算后被過濾出來的就是的網(wǎng)絡(luò)地址。通常情況下，在IP地址后面加“/n”來表示一個具體的IP地址（n是子網(wǎng)掩碼中“1”的個數(shù)，如子網(wǎng)掩碼“”，通常寫成“/24”）,.,4.6.1IP尋址方式,圖4.15本地通信,4.6IP尋址基礎(chǔ),路由器可以將數(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)段發(fā)送到另一個網(wǎng)段,.,路由器主要實現(xiàn)兩種基本功能：交換和轉(zhuǎn)發(fā)功能。將數(shù)據(jù)從路由器的進(jìn)入接口穿過路由器再送到外出接口。路由功能。即尋址功能，學(xué)習(xí)和維護(hù)路由選擇表，決定正確的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。尋址由路由選擇算法來實現(xiàn)，為了判定最佳路徑，路由選擇算法維護(hù)著一個包含路由信息的路由選擇表，路由選擇表可以將目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和下一跳（nexthop）的關(guān)系告訴路由器。當(dāng)路由器向目的地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，它就是通過這張路由選擇表來確定所要使用的輸出接口。為了能夠路由數(shù)據(jù)包，路由器需要知道以下信息：目標(biāo)地址下一跳地址,.,假設(shè)主機(jī)A需要和主機(jī)B通信，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如下：,圖4.18主機(jī)A發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式,.,圖4.19路由器A發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式,表4.2路由器A的路由表信息,.,路由器C發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)直接連接在它的E0接口上，于是它將數(shù)據(jù)包發(fā)往接口E0，在接口E0口上采用ARP來查詢的MAC地址，最后將數(shù)據(jù)包發(fā)往目的主機(jī)。,表4.2路由器B的路由表信息,.,4.6.2代理ARP,如果網(wǎng)絡(luò)上所有的系統(tǒng)都配置成目的地址均在本地網(wǎng)段，路由器將扮演遠(yuǎn)程系統(tǒng)代理的角色，如圖4.20所示。,代理ARP可以簡化主機(jī)的管理，不過卻增加了網(wǎng)絡(luò)的通信量，并且在路由器上需要較大的ARP緩存，因為每個不在本網(wǎng)的IP地址都將被創(chuàng)建一個映射表項。在使用代理ARP的主機(jī)看來，世界就像一個大的沒有路由器的物理網(wǎng)絡(luò)。,.,4.7.1全0地址和全1地址,網(wǎng)絡(luò)地址部分不能設(shè)置為全0或全1。當(dāng)IP地址為時，它代表一個未知網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)IP地址為55時，它代表面向本地網(wǎng)絡(luò)所有主機(jī)的廣播，我們稱為“泛洪廣播”。路由器不會轉(zhuǎn)發(fā)泛洪廣播。當(dāng)主機(jī)地址部分全0時，它代表整個網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)段），例如。當(dāng)主機(jī)地址部分全為1時，它代表一個面向這個網(wǎng)絡(luò)的定向廣播，例如55，這個廣播消息會發(fā)送給網(wǎng)段的所有主機(jī)。,4.7IP地址的幾種特殊情況,.,4.7.2公有地址和私有地址,公有地址（Publicaddress，也稱為全局地址）由因特網(wǎng)地址授權(quán)委員會（IANA）負(fù)責(zé)分配，使用這些公有地址可以直接訪問因特網(wǎng)。私有地址（Privateaddress，也稱為專用地址）屬于非注冊地址，專門為組織機(jī)構(gòu)內(nèi)部使用。表4.4列出了用于內(nèi)部尋址的地址，即私有地址。,表4.4內(nèi)部地址,.,4.7.3回路地址,127.x.x.x分配給回路地址，它是一個保留的IP地址。回路地址用于網(wǎng)絡(luò)軟件測試和本地進(jìn)程之間的通信。TCP/IP協(xié)議規(guī)定，當(dāng)分組中的網(wǎng)絡(luò)ID為127時，該分組不能出現(xiàn)在任何網(wǎng)絡(luò)上，主要和路由器不能為該地址廣播任何尋址信息。我們可以利用該地址測試TCP/IP配置，因為該地址不需要任何網(wǎng)絡(luò)連接。在排除網(wǎng)絡(luò)故障時，我們可以用回路地址來測試TCP/IP協(xié)議是否正常由于是回路地址，所以如果TCP/IP工作正常的話，這個地址始終是能ping通的。Ping應(yīng)用程序可以發(fā)送一個將回路地址作為目的地址的分組，以測試IP軟件能否接收或發(fā)送一個分組。一個用戶進(jìn)程也可以用回路地址發(fā)送一個分組給本機(jī)的另一個進(jìn)程，用來測試本地進(jìn)程之間的通信狀況。,.,4.8.1子網(wǎng)劃分的概念,前面我們介紹了每類IP地址都有自己的缺省子網(wǎng)掩碼，但是這些缺省子網(wǎng)掩碼并不能讓我們有效的利用IP地址。如果我們在缺省子網(wǎng)掩碼后面再添加幾位連續(xù)的“1”，使掩碼中的全“1”位變得更長，會出現(xiàn)什么情況呢？如圖4.21所示，我們將B類網(wǎng)絡(luò)/16的子網(wǎng)掩碼延長為24位，這樣就可以“創(chuàng)造”出更多的新網(wǎng)絡(luò)，不過每個網(wǎng)絡(luò)所擁有主機(jī)數(shù)減少了。這種被額外創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)就是子網(wǎng)。,.,4.8.2為什么要進(jìn)行子網(wǎng)劃分,Internet的發(fā)展之快是當(dāng)初的設(shè)計者所未曾預(yù)想到的。當(dāng)前IP地址（IPv4）已經(jīng)面臨即將耗盡的挑戰(zhàn)。如果不對IP地址進(jìn)行子網(wǎng)劃分，我們很可能會浪費許多IP地址。劃分子網(wǎng)的代價是減少了每個網(wǎng)絡(luò)所能擁有的主機(jī)數(shù)目，但是這樣卻額外地“創(chuàng)造”出了更多的新網(wǎng)絡(luò)。,兩臺點對點連接的路由器之間只需要兩個IP地址，其實，我們完全可以為它們定義一個只有兩臺主機(jī)的子網(wǎng)，這樣就不會造成其余252個地址的浪費了。,圖4.24IP地址的不合理規(guī)劃,劃分子網(wǎng)的目的之二是限制通信流量，我們知道網(wǎng)絡(luò)主機(jī)能和與其處于相同網(wǎng)段上的其他主機(jī)進(jìn)行通信，假如一個A類地址不進(jìn)行子網(wǎng)劃分，一臺主機(jī)對這個網(wǎng)段發(fā)送一個定向廣播，那么成千上萬臺主機(jī)將接收到這個定向廣播，這種網(wǎng)絡(luò)是絕對低效的。只有劃分子網(wǎng)后用路由器去隔離廣播，才能讓網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮最好的性能。,圖4.25合理地規(guī)劃IP