《計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 》第4章網(wǎng)劃分及Switch的應(yīng)用.ppt

1、第4章子 網(wǎng)劃分及Switch的應(yīng)用,主編：周鴻旋,本章學(xué)習(xí)要點, 掌握網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP及IP數(shù)據(jù)報頭部格式 掌握TCP/IP的地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)等概念 掌握子網(wǎng)劃分技術(shù)和劃分方法 掌握VLAN的概念，以及劃分VLAN的方法 了解多層交換的概念 教學(xué)課時6課時,4.1 IP地址和物理地址, TCP/IP體系結(jié)構(gòu)如圖所示：,4.1 IP地址和物理地址,網(wǎng)際協(xié)議IP（Internet Protocol）不但為各個互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包格式，而且還提供尋址、路由選擇、數(shù)據(jù)的分段和重組功能，它能將數(shù)據(jù)包從一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)。 IP協(xié)議以包的單位傳輸數(shù)據(jù)，IP數(shù)據(jù)包Internet中稱為IP數(shù)

2、據(jù)報。IP協(xié)議提供的是不可靠的面向無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)，它不管傳送的數(shù)據(jù)報正確與否，都不進行檢查、不回送確認，也沒有流量控制和差錯控制功能。IP這種特性不是一種缺點，它提供了傳輸功能的主框架，用戶可以根據(jù)需要在傳輸層對給定的應(yīng)用添加必要的功能。,4.1 IP地址和物理地址,IP數(shù)據(jù)報是一個可變長度的包（最小為20字節(jié)，最大65536字節(jié)）。它由頭部和數(shù)據(jù)兩部分組成，數(shù)據(jù)報格式和頭部的構(gòu)成如圖所示。,4.1 IP地址和物理地址,1. 物理地址 物理地址指網(wǎng)卡(NIC)地址，它也稱為MAC地址或硬件地址。物理地址是由生產(chǎn)廠家通過編碼燒制在網(wǎng)卡的硬件電路上，不管它位于什么地方，物理地址總是恒定不變的。

3、網(wǎng)卡地址由48位二進制數(shù)字組成（用12位十六進制數(shù)表示），高24位是由IEEE分配的廠商地址，低24位由生產(chǎn)廠商自己管理的地址（序列號），每一個網(wǎng)卡的物理地址在全球都是惟一的。,4.1 IP地址和物理地址,2. IP地址 IP地址由32位二進制比特組成，每8位為一段，共分為4段，段間用“.”分隔。為了易于閱讀，IP地址的每一段表示為其對應(yīng)的十進制數(shù)字，稱為“點分十進制”表示形式。例如“211.70.248.3” 。 IP地址由類型、網(wǎng)絡(luò)號和主機號三個部分組成，如圖(a)所示。路由尋址時，首先根據(jù)地址的網(wǎng)絡(luò)號到達網(wǎng)絡(luò)，然后利用主機號到達主機。 IP地址分為A類、B類、C類、D類和E類共五類，如圖

4、所示。不同的類適用于不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。,4.2 IP地址的分類和特殊的IP地址,4.2.1 IP地址的分類,4.2 IP地址的分類和特殊的IP地址,IP地址的分類表,4.2 IP地址的分類和特殊的IP地址,4.2.3 IP地址的特點： 一、每個IP地址都由網(wǎng)絡(luò)號和主機號組成，這樣管理機構(gòu)在分配IP地址的時候只需分配網(wǎng)絡(luò)號，方便了IP地址的管理 二、用交換機連接起來的若干個局域網(wǎng)仍然是一個網(wǎng)絡(luò) 三、IP地址和主機的地理位置沒有對應(yīng)關(guān)系 四、由于IP地址不僅包含了主機本身的地址信息，而且還包含了主機所在網(wǎng)絡(luò)的地址信息,4.3子網(wǎng)掩碼和IP尋址基礎(chǔ),4.3.1 子網(wǎng)掩碼的概念 1. 子網(wǎng)掩碼 子網(wǎng)掩碼

5、的作用 子網(wǎng)掩碼能分出IP地址中哪些位是網(wǎng)絡(luò)ID，哪些位是主機ID。通過它和IP地址進行按位“邏輯與（AND）”運算，可以屏蔽掉IP地址中的主機部分，得到IP地址的網(wǎng)絡(luò)ID。如果兩臺計算機網(wǎng)絡(luò)ID相同，則表示兩臺計算機屬于同一網(wǎng)絡(luò)。 子網(wǎng)掩碼的另一個作用是將一個網(wǎng)絡(luò)ID再劃分為若干個子網(wǎng)，以解決網(wǎng)絡(luò)地址不夠的問題。,4.3子網(wǎng)掩碼和IP尋址基礎(chǔ),默認子網(wǎng)掩碼,4.3子網(wǎng)掩碼和IP尋址基礎(chǔ),4.3.2 確定子網(wǎng)掩碼的方法 A、確定哪些組地址歸我們使用。 B、根據(jù)我們現(xiàn)在所需的子網(wǎng)數(shù)以及將來可能擴充到的子網(wǎng)數(shù)，用宿主機的一些位來定義子網(wǎng)掩碼。 C、把對應(yīng)初始網(wǎng)絡(luò)的各個位都置為“1”，即前兩個字節(jié)都

6、置為“1”，第四個字節(jié)都置為“0”，則子網(wǎng)掩碼的間斷二進制形式為：“11111111.11111111.11110000.00000000” D、把這個數(shù)轉(zhuǎn)化為間斷十進制形式為：“255.255.240.0” 這個數(shù)為該網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼。,4.3子網(wǎng)掩碼和IP尋址基礎(chǔ),4.3.3 （可變長子網(wǎng)掩碼) 可變長子網(wǎng)掩碼是為了解決在一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中使用多種層次的子網(wǎng)化IP地址的問題而發(fā)展起來的。這種策略只能在所用的路由協(xié)議都支持的情況才能使用，例如開放式最短路徑優(yōu)先路由選擇協(xié)議(OSPF)和增強內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由選擇協(xié)議(EIGRP).RIP版本1由于出現(xiàn)早于VLSM而無法支持.RIP版本2則可以支持VLSM

7、。 VLSM允許一個組織在同一個網(wǎng)絡(luò)地址空間中使用多個子網(wǎng)掩碼.利用VLSM可以使管理員”把子網(wǎng)繼續(xù)劃分為子網(wǎng)”，使尋址效率達到最高。,4.3子網(wǎng)掩碼和IP尋址基礎(chǔ),VLSM的特征 ： 更有效地使用IP地址如果不使用VLSM,各公司就必須在整個A、B、C、類網(wǎng)絡(luò)中使用一個單一的子網(wǎng)掩碼。 使用路由匯總的能力更強VLSM通話地址規(guī)劃中有更多的等級水平，也可以在路由選擇中使用匯總更有效地進行路由選擇。,4.3子網(wǎng)掩碼和IP尋址基礎(chǔ),4.3.4 IP尋址 每個 TCP/IP 主機都由邏輯 IP 地址標(biāo)識。這個地址對每個使用 TCP/IP 通訊的主機而言是唯一的。每個 32 位 IP 地址都標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)上

8、主機系統(tǒng)的位置，就象街道地址標(biāo)識城市街道上的住宅一樣。每個 IP 地址內(nèi)部也分為兩個部分：網(wǎng)絡(luò)號和主機號。,4.4 子網(wǎng)的劃分,4.4.1 進行子網(wǎng)劃分的原因,表 4-2 A、B、C三類IP地址的適用范圍,由于經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)號和主機號的層次劃分，它們能適應(yīng)于不同的網(wǎng)絡(luò)。但是如果網(wǎng)段內(nèi)的主機數(shù)目不多，可以用主機的一些地址把網(wǎng)段劃分為更小的單元即可，子網(wǎng)劃分給管理員提供了更大的靈活性。,4.4 子網(wǎng)的劃分,l可以連接不同的網(wǎng)絡(luò),l重新組合網(wǎng)絡(luò)的通信量,l減輕網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)不夠的負擔(dān),l更有效地使用網(wǎng)絡(luò)地址,4.4 子網(wǎng)的劃分,3. 劃分子網(wǎng)后的子網(wǎng)掩碼 劃分子網(wǎng)后的子網(wǎng)掩碼會有改變，它是將對應(yīng)位子網(wǎng)號的部分

9、全變?yōu)椤?”后作為新的子網(wǎng)掩碼。例如，對于B類地址，如果取主機號的前三位作為子網(wǎng)號，則相應(yīng)的子網(wǎng)掩碼變化如下： 劃分前：11111111.11111111.00000000.00000000， 十進制為255.255.0.0 劃分后：11111111.11111111.11100000.00000000， 十進制為255.255.224.0,4.4 子網(wǎng)的劃分,4.4.2 子網(wǎng)劃分的方法： 劃分子網(wǎng)的方法是將IP地址的主機號部分進一步劃分成子網(wǎng)部分和主機部分。具體做法是從標(biāo)準(zhǔn)IP地址的主機號部分“借”若干位，并把它們指定為子網(wǎng)號。于是兩級地址結(jié)構(gòu)在本單位內(nèi)部變成了三級結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)號，子網(wǎng)號和主機

10、號。 如圖4-1所示。,圖4-1 IP地址的三級結(jié)構(gòu),4.4 子網(wǎng)的劃分,子網(wǎng)劃分可以從IP地址的主機號前面部分“借”位， 并把它們指定為子網(wǎng)號。子網(wǎng)劃分的步驟： 確定子網(wǎng)的數(shù)目 根據(jù)子網(wǎng)數(shù)目確定取子網(wǎng)號位數(shù)。如取3位，可以有23 8種組合。注意： 子網(wǎng)號必須是2位以上，主機號部分不能少于兩位。 子網(wǎng)號不能為全0 （但有些路由器支持“0”子網(wǎng)實現(xiàn)） 子網(wǎng)號不能為全“1” 子網(wǎng)數(shù)的計算公式如下：2 n 2 （n2，n是子網(wǎng)號位數(shù)）,4.4 子網(wǎng)的劃分,2. 確定每個子網(wǎng)支持的最大主機數(shù) 每個子網(wǎng)支持的最大主機數(shù)用主機號的剩余部分計算而得。公式為： 2n 2 其中，n是剩余的主機號位數(shù)。減去2的原

11、因是主機號全“0”和全“1”都不能作為主機號。主機號全“0”代表網(wǎng)絡(luò)號加子網(wǎng)號，主機號全“1”代表這個子網(wǎng)的廣播地址。,4.4 子網(wǎng)的劃分,3. 劃分子網(wǎng)后的子網(wǎng)掩碼 劃分子網(wǎng)后的子網(wǎng)掩碼會有改變，它是將對應(yīng)位子網(wǎng)號的部分全變?yōu)椤?”后作為新的子網(wǎng)掩碼。例如，對于B類地址，如果取主機號的前三位作為子網(wǎng)號，則相應(yīng)的子網(wǎng)掩碼變化如下： 劃分前：11111111.11111111.00000000.00000000， 十進制為255.255.0.0 劃分后：11111111.11111111.11100000.00000000， 十進制為255.255.224.0,4.4 子網(wǎng)的劃分,4. 為每個子

12、網(wǎng)確定地址段 確定好子網(wǎng)號的位數(shù)后，需要計算出每個子網(wǎng)的起始地址、結(jié)束地址、子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)ID及子網(wǎng)的廣播地址。 【例4.1】 設(shè)有一個C類IP地址，其網(wǎng)絡(luò)號為211.70.248.0，現(xiàn)需要將它劃分為5個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)的主機數(shù)不超過30個，并假設(shè)路由協(xié)議支持同時發(fā)布網(wǎng)絡(luò)地址及子網(wǎng)掩碼。請計算出每個子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)地址、起始地址、結(jié)束地址和子網(wǎng)的廣播地址，并計算出劃分子網(wǎng)后的子網(wǎng)掩碼。,4.4 子網(wǎng)的劃分,解：根據(jù)題意，劃分5個子網(wǎng)，可以從主機號中取前3位（2326）作為子網(wǎng)號。又因為路由協(xié)議支持同時發(fā)布網(wǎng)絡(luò)地址及子網(wǎng)掩碼，可以劃分“0”子網(wǎng)。因此實際可劃分為7個子網(wǎng)。主機號剩余5位，每個子網(wǎng)可容納的主

13、機數(shù)為25230，滿足題意要求。 劃分子網(wǎng)后的子網(wǎng)掩碼為： 11111111.11111111.11111111.11100000， 對應(yīng)的十進制為255.255.255.224,4.4 子網(wǎng)的劃分,第一個子網(wǎng)的編址如下： 11010011.01000110.11111000.00000000 （211.70.248.0）,子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)號 11010011.01000110.11111000.00000001（211.70.248.1）,開始地址 11010011.01000110.11111000.00000010（211.70.248.2） 11010011.01000110.11111000

14、.00011110（211.70.248.30），結(jié)束地址 11010011.01000110.11111000.00011111（211.70.248.31），子網(wǎng)廣播地址 第二個子網(wǎng)的編址如下： 11010011.01000110.11111000.00100000（211.70.248.32）,子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)號 11010011.01000110.11111000.00100001（211.70.248.33）,開始地址 ,4.4 子網(wǎng)的劃分,第二個子網(wǎng)的編址如下： 11010011.01000110.11111000.00100000（211.70.248.32）,子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)號 1101001

15、1.01000110.11111000.00100001（211.70.248.33）,開始地址 ,4.4 子網(wǎng)的劃分,依此類推，可以得到全部七個子網(wǎng)的編址，如表所示。,4.4 子網(wǎng)的劃分,4.4.3 相關(guān)判斷方法： 1.如何判斷是否做了子網(wǎng)劃分？ 如果它使用了缺省子網(wǎng)掩碼，那么表示沒有作子網(wǎng)劃分；反 之，則一定作了子網(wǎng)劃分。 2.如何計算子網(wǎng)數(shù)量？ 觀察子網(wǎng)掩碼的二進制形式，確定作為子網(wǎng)號的位數(shù)n； 子網(wǎng)數(shù)量為2的n次方減2。 3.如何計算總主機數(shù)量，子網(wǎng)內(nèi)主機數(shù)量？ 總主機數(shù)量子網(wǎng)數(shù)量子網(wǎng)內(nèi)主機數(shù)量 子網(wǎng)內(nèi)主機數(shù)=2的n次方（n為主機號位數(shù)）,4.4 子網(wǎng)的劃分,4.如何用子網(wǎng)掩碼得到網(wǎng)絡(luò)

16、/主機地址 將ip地址與子網(wǎng)掩碼轉(zhuǎn)換成二進制；將二進制形式的ip地址與子網(wǎng)掩碼做與運算，將答案化為十進制便得到網(wǎng)絡(luò)地址；將二進制形式的子網(wǎng)掩碼取反；將取反后的子網(wǎng)掩碼與ip地址做與運算，將答案化為十進制便得到主機地址。,4.4 子網(wǎng)的劃分,4.4.5 無類別域間路由 CIDR CIDR（無類型域間選路，Classless Inter-Domain Routing）是一個在Internet上創(chuàng)建附加地址的方法，這些地址提供給服務(wù)提供商（ISP），再由ISP分配給客戶。CIDR將路由集中起來，使一個IP地址代表主要骨干提供商服務(wù)的幾千個IP地址，從而減輕Internet路由器的負擔(dān)。所有發(fā)送到這些

17、地址的信息包都被送到如MCI或Sprint等ISP。,4.4 子網(wǎng)的劃分,CIDR 如何工作？ CIDR 對原來用于分配A類、B類和C類地址的有類別路由選擇進程進行了重新構(gòu)建。CIDR用 13-27位長的前綴取代了原來地址結(jié)構(gòu)對地址網(wǎng)絡(luò)部分的限制（3類地址的網(wǎng)絡(luò)部分分別被限制為8位、16位和24位）。在管理員能分配的地址塊中，主機數(shù)量范圍是32-500,000，從而能更好地滿足機構(gòu)對地址的特殊需求。,4.4 子網(wǎng)的劃分,圖4-2 CIDR舉例,4.5交換機的原理、VLAN以及高層交換技術(shù),4.5.1 基本以太網(wǎng) 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)： 以太網(wǎng)是Ethernet的意思，過去使用的是十兆 標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在是百兆到

18、桌面，千兆做干線。 常見的標(biāo)準(zhǔn)有： 10BASE-2 細纜以太網(wǎng) 10BASE-5 粗纜以太網(wǎng) 10BASE-T 星型以太網(wǎng) 100BASE-T 快速以太網(wǎng) 1000BASE-T 千兆以太網(wǎng),4.5交換機的原理、VLAN以及高層交換技術(shù),4.5.2 沖突域和廣播域以及交換機原理 1、(1)沖突域： 沖突域是數(shù)據(jù)必然發(fā)送到的區(qū)域。 HUB是無智能的信號驅(qū)動器，有入必出，整個由HUB組成 的網(wǎng)絡(luò)是一個沖突域。 交換機的一個接口下的網(wǎng)絡(luò)是一個沖突域，所以交換機 可以隔離沖突域。 (2)廣播域： 廣播數(shù)據(jù)時可以發(fā)送到的區(qū)域是一個廣播域。 交換機和集線器對廣播幀是透明的，所以用交換機和 HUB組成的網(wǎng)絡(luò)

19、是一個廣播域。 路由器的一個接口下的網(wǎng)絡(luò)是一個廣播域。所以路由器 可以隔離廣播域。,4.5交換機的原理、VLAN以及高層交換技術(shù),2、交換機原理 (1)端口地址表 端口地址表記錄了端口下包含主機的MAC地址。端口地址表是交換機上電后自動建立的，保存在RAM中，并且自動維護。 交換機隔離廣播域的原理是根據(jù)其端口地址表和轉(zhuǎn)發(fā)決策決定的。,4.5交換機的原理、VLAN以及高層交換技術(shù),(2)轉(zhuǎn)發(fā)決策 交換機的轉(zhuǎn)發(fā)決策有三種操作：丟棄、轉(zhuǎn)發(fā)和擴散。 丟棄：當(dāng)本端口下的主機訪問已知本端口下的主機時丟棄。 轉(zhuǎn)發(fā)：當(dāng)某端口下的主機訪問已知某端口下的主機時轉(zhuǎn)發(fā)。 擴散：當(dāng)某端口下的主機訪問未知端口下的主機時要

20、擴散。 每個操作都要記錄下發(fā)包端的MAC地址，以備其它主機的訪問。 (3)成存期： 生成期是端口地址列表中表項的壽命。每個表項在建立后開始進行倒記時，每次發(fā)送 數(shù)據(jù)都要刷新記時。對于長期不發(fā)送數(shù)據(jù)主機，其MAC地址的表項在生成其結(jié)束時刪除。 所以端口地地表記錄的總是最活動的主機的MAC地址。,4.5交換機的原理、VLAN以及高層交換技術(shù),3、交換網(wǎng)絡(luò)中的環(huán) 以太網(wǎng)是總線或星型結(jié)構(gòu)，不能構(gòu)成環(huán)路，否則會產(chǎn)兩個嚴重后果： (1)產(chǎn)生廣播風(fēng)暴，造成網(wǎng)絡(luò)堵塞。 (2)克隆幀會在各個口出現(xiàn)，造成地址學(xué)習(xí)(記錄幀源地址)混亂。 解決環(huán)路問題方案: (1)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計時，人為的避免產(chǎn)生環(huán)路。 (2)使用生成樹

21、STP(Spanning Tree Protocol)功能，將有環(huán)的網(wǎng)絡(luò)剪成無環(huán)網(wǎng)絡(luò)。,4.5交換機的原理、VLAN以及高層交換技術(shù),STP被IEEE802規(guī)范為802.1d標(biāo)準(zhǔn)。 生成樹協(xié)議術(shù)語 (1)網(wǎng)橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元：BPDU(Bridge Protocol Data Unit) BPDU是生成樹協(xié)議交換機間通訊的數(shù)據(jù)單元，用于確定角色。 (2)網(wǎng)橋號：Bridge ID 交換機的標(biāo)識號，它由優(yōu)先級和MAC地址組成，優(yōu)先級16 位，MAC地址48位。 (3)根網(wǎng)橋：Root bridge 根網(wǎng)橋定義為網(wǎng)橋號最小的交換機，根網(wǎng)橋所有的端口都不 會阻塞。,4.5交換機的原理、VLAN以及高層交

22、換技術(shù),(4)根端口：Root port 非根網(wǎng)橋到根網(wǎng)橋累計路徑花費最小的端口，負責(zé)本網(wǎng)橋與根網(wǎng)橋通訊的接口。 (5)指定網(wǎng)橋：Designated bridge 網(wǎng)絡(luò)中到根網(wǎng)橋累計路徑花費最小交換機，負責(zé)收發(fā)本網(wǎng)段數(shù)據(jù)。 (6)指定端口：Designated port 網(wǎng)絡(luò)中到根網(wǎng)橋累計路徑花費最小的交換機端口，根網(wǎng)橋每個端口都是指定端口。 (7)非指定端口：NonDesignated port 余下的端口是非指定端口，它們不參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，也就是被阻塞的端口。 (根端口是從非根網(wǎng)橋選出，指定端口是網(wǎng)段中選出)。,4.5交換機的原理、VLAN以及高層交換技術(shù),生成樹協(xié)議的狀態(tài)： 生成樹協(xié)議

23、工作時，所有端口都要經(jīng)過一個端口狀態(tài)的建立過程。 生成樹協(xié)議通過BPDU廣播，確定各交換機及其端口的工作狀態(tài)和角色， 交換機上的端口狀態(tài)分別為：關(guān)閉、阻塞、偵聽、學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。 (1)關(guān)閉狀態(tài)：Disabled 不收發(fā)任何報文，當(dāng)接口空連接或人為關(guān)閉時處于關(guān)閉狀態(tài)。,4.5交換機的原理、VLAN以及高層交換技術(shù),(2)阻塞狀態(tài)：Blocking 在機器剛啟動時，端口是阻塞狀態(tài)(20秒)，但接收BPDU信息。 (3)偵聽狀態(tài)：listening 不接收用戶數(shù)據(jù)(15秒)，收發(fā)BPDU，確定網(wǎng)橋及接口角色。 (4)學(xué)習(xí)狀態(tài)：learning 不接收用戶數(shù)據(jù)(15秒)，收發(fā)BPDU，進行地址學(xué)習(xí)。 (5)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)：Forwarding 開始收發(fā)用戶數(shù)據(jù)，繼續(xù)收發(fā)BPDU和地址學(xué)習(xí),維護STP。,4.5交換機的原理、VLAN以及高層交換技術(shù),4.5.3 虛擬局域網(wǎng)VLAN 1、VLAN的目的 VLAN（Virtual Local Area Network，虛擬局域網(wǎng)）技術(shù)的出現(xiàn)，主要為了