4.3 IPv4

4.3.1 概述

 

4.3.2 分类编制的IPv4地址

简介

• 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）。

• 主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。

• 由此可见，一个 IP 地址在整个互联网范围内是唯一的。

A类地址

 

B类地址

image-20201017145508001

C类地址

image-20201017150204774

练习

总结

IP 地址的指派范围

一般不使用的特殊的 IP 地址

 

IP 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。

(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 (multihomed host)。

• 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。

(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，无论是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。

4.3.3划分子网的IPv4地址

为什么要划分子网

在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计确实不够合理：

• IP 地址空间的利用率有时很低。

• 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。

image-20201017154645198

如果想要将原来的网络划分成三个独立的网路

image-20201017154852896

所以是否可以从主机号部分借用一部分作为子网号

image-20201017155026814

但是如果未在图中标记子网号部分，那么我们和计算机又如何知道分类地址中主机号有多少比特被用作子网号了呢？

所以就有了划分子网的工具：子网掩码

• 从 1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。

• 这种做法叫做划分子网 (subnetting) 。

• 划分子网已成为互联网的正式标准协议。

如何划分子网

基本思路

• 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。

image-20201017155930011

• 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。

划分为三个子网后对外仍是一个网络

image-20201017160116239

• 优点

 

 1.  减少了 IP 地址的浪费
     
     
 2.  使网络的组织更加灵活
     
     
 3.  更便于维护和管理

• 划分子网纯属一个单位内部的事情，对外部网络透明，对外仍然表现为没有划分子网的一个网络。

子网掩码

image-20201017160252066

(IP 地址) AND (子网掩码) = 网络地址 重要，下面很多相关知识都会用到

举例

例子1

image-20201017161651058

例子2

image-20201017161719339

默认子网掩码

image-20201017162807076

总结

 

• 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。

 

 

4.3.4 无分类编址的IPV4地址

我们来举例说明：

 

完成下面的练习题：

接下来我们介绍CIDR中有关路由聚合的概念：

路由表中记录太多，那能不能聚合为一条呢？减少对路由表的占用。

其方法是找共同前缀

这5个地址前两个字节是相同的，从第三个字节开始不同，因此只需将第三个字节转换为二进制形式。这样就很容易找出这5个目的地址的共同前缀。

共22比特，记为/22

这就是聚合后的地址块，也可以称为超网

网络前缀越长，地址块越小，路由越具体。

若路由器查表转发分组时发现有多条路由可选，则选择网络前缀最长的那条，这称为最长前缀匹配，因为这样的路由更具体。

 

接下来我们再做几个相关的考研题：

4.3.5 IPV4地址的应用规划

也就是给定一个IPV4的地址块，如何将其划分成几个更小的地址块。并将这些地址块分配给互联网中的不同网络，进而可以给互联网中的各主机和路由器接口分配IPV4地址。一般有以下两种方法。

接下来我们看看划分子网的细节：

通过本例可以看出，采用定长的子网掩码进行划分，只能划分出2的n次方个子网

其中N是从主机号部分借用的用来作为子网号的比特数量。每个子网所分配的ip地址数量相同，容易造成ip地址数量的浪费。例如图中网络5只需要4个网络地址，但是我们不得已分配了32个。

接下来我们看看采用变长的子网掩码划分子网的方法。

练习题：

总结：