网络互联与IP地址

⎧双绞线光纤无线网卡

集线器

集线器也称为Hub，主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上（使用集线器构成的网络物理上是星型拓扑结构）。它工作于OSI参考模型第一层，即“物理层”。
之所以这样说是因为它只是简单地将某个端口收到的信号（即0和1物理层信号）从其他所有的端口复制出去，并不关心0和1的含义。
正因为如此，如果有一台计算机发送信号，其他接口上所有计算机(甚至连在其他集线器上的计算机)将能够同时接收到信号。

计算机A发送信号，左边的Hub不仅把信号传给计算机B和计算机C，还传给了右边的Hub；右边的Hub收到信号后，又会把信号传给计算机 D和计算机E。这也意味着A发送信号时，其他的计算机(包括B、C、D、E)在此刻不能同时发送信号，如果它们也同时发送信号就会发生冲突。

所以说集线器连接起来的网络在同一个冲突域（Colls i on Domain）中，即集线器不能隔离冲突域。

用集线器构建起来的网络在任何时候只能有一台计算机在发送数据，这样网络如果有多台计算机则每一台计算机发送数据的机会就被平均了，所以集线器连接的计算机是共享同一网络带宽的。正是因为Hub的这个特点，所以Hub并不适合于构建大型网络，如果网络中有1000台计算机，即使采用100Mbps 设备，每台计算机的带宽仅为100Kbps，这样的性能没有谁可以接受。
集线器与网卡、网线等传输介质一样，属于局域网中的基础设备，采用CSMA/CD介质访问控制机制。

交换机

用集线器组成的网络是星型结构，有着很好的维护性，然而不足的是计算机共享网络带宽。为了解决带宽的不足可以用交换机代替集线器，交换机远比集线器智能。
交换机工作在数据链路层，是OSI七层的第二层设备。交换机能够识别帧的内容，交换机是依赖于一张MAC地址与端口的映射表（称为 CAM表，即Con text Ad d resMap表）来进行工作的。
数据中包含了目的MAC和源MAC，源MAC就是发送数据帧的计算机的网卡地址，目的MAC就是接收数据的计算机的网卡地址，因此可以用这些MAC地址表示发送者和接收者。交换机刚开机时，这张MAC地址与端口的映射表是空的；当计算机A想发送数据给B时，数据的目的MAC为B的MAC，源MAC为A的MAC，交换机并不知道计算机B是接在哪个端口上，所以数据会从端口2,3,4发送出去以保证计算机B能够接收到；然而由于交换机是从端口1收到 A 发送的数据，即在中的源MAC是A的MAC 地址，所以交换机就把A的MAC记录在端口1上；当其他计算机（例如计算机B）要发送数据给A时，数据的目的MAC为A的MAC，源MAC为B的MAC交换机已经知道A的MAC在端口1了，所以这时数据只会从端口1发送出去，而不会从端口3、4发送出去；同时由于交换机是从端口2收到 B发送的数据，交换机也会往表中添加一条记录，指明B的MAC在端口2上，下次计算机A发送数据给B时数据只会从端口2发送出去了，而不是像以前一样从其他所有的端口发送出去。
交换机的工作原理实际上是：当一台计算机发送过一次数据帧时，就被交换机记录了；如果有其他的计算机向这台计算机发送数据时，数据只会从特定端口转发出去，而不会从其他端口转发。从以上的分析中知道，如果交换机已经完成了MAC地址与端口映射表的建立，计算机A发送数据给B时，端口3、4并无数据存在，这就意味着计算机C可以同时发送数据给D、A和C不会因为同时发送数据而产生冲突，即它们不在同一冲突域。这一点和集线器有着很大的不同，交换机所接的计算机可以独占网络的带宽。交机的这个特性可以概括为：交换机可以隔离冲突域，交换机的每一个端口就是一个小冲突域。
MAC地址与端口的映射表中的记录实际上是有一定的时效性的，通常为300s，如果一条记录在300s内没有得到更新，记录就会被删除。这样的好处是防止CAM表被迅速占满，同时也是为了使得计算机从一个端口移动到另一端口上后还可以正常工作。
当交换机收到目的MAC为0xFFFFFFFFFFFF（广播地址）的数据顿时，它会把该数据帧从所有的端口转发出去，也就是说交换机不能隔离广播域（Broadc a s t Domain）。不幸的是在以太网中，经常会有目的MAC为0xFFFFFFFFFFFF的数据存在，ARP就是一个例子，因此如果拓扑结构中是用交换机来构成大型网络的，则在网络中只要一台计算机发送一个广播包，其他的计算机就不得不接收；如果网络中的计算机数量较多，网络中就会充斥着大量的广播包，从而影响正常的数据帧的传输。因此大型的网络仅仅采用交换机来构建也是不合适的。

路由器

路由器天生可以隔断广播域（当然也就隔离了冲突域），因此一个网络中的广播就被限制在本地，不会扩散到另一个网络中。
路由器隔离了广播，却带来了新的问题两个网络因为路由器的隔离而不能直接互相通信了，因此路由器还需要把它们连接起来。路由器是网络互联的关键设备，路由器的作用是把数据包从一个网络经过合理的路径选择转发到另一个网络上。路由器依靠路由表来进行工作，路由表类似我们熟悉的地图。由于路由器根据网络地址来工作，所以路由器是OSI中的第三层设备，即网络层设备。

总结

网络设备的主要特性

设备类型	OSI层	能否隔离冲突域	能否隔离广播域	依赖的地址
集线器	物理层	×	×
交换机	数据链路层	×	√	MAC地址
路由器	网络层	√	√	IP 地址

IP地址

每种网络协议都有自己的网络层地址，IP 地址是TCP/IP协议的网络层地址。每台计算机的网卡都有自己的MAC地址，并且全世界的所有网卡的MAC地址是惟一的，那么能否就只用网卡 MAC来确定标识计算机呢?答案是不行！这是因为网卡的MAC地址编址是平面的，也就是说网卡的MAC是没有规律的，编号相邻的两个网卡，一个可能在美国，而另一个可能在日本，发送数据的计算机如何能够找到它们呢? 要解决这个问题就是采用统一编址方案的层次型的地址。
IP地址的出发点非常明确，它是用逻辑地址来标识计算机，如同电话号码。更重要的是IP地址的编址方法要合理，使得发送者发送出的数据能够传送到接收方，即IP地址要提供寻址能力。

我们先来看看电话号码。电话号码是由区号和市内电话号码组成的，当拨打010-12345678时，由于电话号码编址是有规律的，010表示北京的电话，所以程控交换机就把呼叫转到北京；北京市的程控交换机知道自己所管辖区域的电话所在，会把呼叫转到号码为12345678的市内电话上，这个过程实际上就是寻址的过程。

如同电话由区号和市内的电话号码组成一样，IP地址也由两部分组成：网络地址和主机地址。网络地址相当于电话号码的区号，而主机地址则相当于市内的电话号码。
IP地址和电话号码不同的是IP地址采用32位固定长度的二进制位地址。为了表示方便，人们采用点分十进制法，即把32位IP地址分成4个字节，字节之间用点分开，然后将每个字节单独转换成十进制。（10000000.00001011.00000011.00011111-&g t;128.11.3.31）

A、B、C类IP地址

已经知道IP地址由网络地址和主机地址组成，那么哪一部分是网络地址，哪一部分是主机地址呢？在没有采用子网掩码前，人们采用了一种很有技巧（或者说是很繁琐）的方法来解决这一问题，即对IP地址进行分类，IP地址被分为 A、B、C、D、E类。

分类	前导位	网络地址/主机地址	网络数量	主机数量	地址范围	第一个字节范围
A类	0（占一位）	前8位/后24位	$2^7-1 27−1(网络地址不能全为0或1)$	$2^{24}-2 224−2$	1.0.0.1~127.255.255.255 起始：00000001.00000000.00000000.00000001 终止：01111111.11111111.11111111.111111110	1~127
B类	10（占两位）	前16位/后16位	$2^{14} 214$	$2^{16}-2 216−2$	128.0.0.1~191.255.255.254 起始：10000000.00000000.00000000.00000001 终止：10111111.11111111.11111111.111111110	128~191
C类	110（占三位）	前24位/后8位	$2^{21} 221$	$2^8-2 28−2$	192.0.0.1~223.255.255.254 起始：11000000.00000000.00000000.00000001 终止：11011111.11111111.11111111.111111110	192~223

子网内主机数量-2的原因：因为主机号全为0的是网络地址，不可用，主机号全为1的是广播地址，也不可以分配给主机，所以要减去网络地址和广播地址。

特殊地址形式

特殊的IP地址包括：受限广播（limited broadc a s t in g）地址、直接广播（direct e d broadc ast ing）地址、“这个网络上的特定主机”地址与回送地址（loopback address）。

受限广播地址
受限广播地址又称有限广播地址，该地址形式唯一，即：32位全为1的IP地址(255.255255.255)。此地址用来将一个分组以广播方式发送给本网络中的所有主机(本网内成员向全网广播)。路由器会将其广播功能限制在本网内部，以减少网络负荷。
直接广播地址
直接广播地址的形式是一个有效的网络号和一个全1的主机号，用来使路由器将一个来自其他网络的分组以广播方式发送给特定网络上的所有主机。例如，主机199.15.123.24要以广播方式发送一个分组给221.25.123.0 的特定网络中的所有主机，则需要使用直接广播地址 221.25.123.255。
“这个网络上的特定主机”地址
“这个网络上的特定主机”地址用于同一网络内部某个主机或某个路由器向另一个主机发送分组。“这个网络上的特定主机”地址的形式为一个全0的网络号和一个确定的主机号。这样的分组只能在本网内部由主机号对应的主机接收。例如，主机199.158.26.25要向本网络内的IP地址为199.158.26.115的主机发送一个分组，则目的地址应为0.0.0.115。
回送地址
A类IP地址中的127.0.0.0是一个保留地址，它即回送地址。用于网络软件测试和本地进程间通信使用。“Ping”应用程序可以发送一个将回送地址作为目的地址的分组，以测试IP软件能否接收或发送一个分组。一个客户进程可以使用回送地址来发送一个分组给本机的另一个进程，用来测试本地进程之间的通信状况。

子网与子网掩码

IP 地址的分类，已经解决了IP地址中的网络地址和主机地址的分界问题，然而随着网络的迅速发展，新的问题又产生了。以A类地址为例，一个A类网络中可以有 $2^{24}-2=16777214 224−2=16777214个主机，这样的网络太大了，根本无法管理，更重要的是同一网络中的主机太多，太多的广播包会使得网络效率大大降低。于是人们想到了子网的划分，即把一个大的网络划分成小的网络。$

这仍然和电话号码很类似，例如北京电信把北京划分成很多分局，电话号码12345678中的 123用来表示分局。

IP地址的子网划分也是如此，从主机位中借位来进行子网划分，这样就形成了 “网络号+子网号+主机号”的三层结构。
子网号也不能全部为0或全部为1
这里有一个重要问题没有解决，就是进行子网划分后，如何表示从主机位中借了多少位。或者说划分子网后，哪些位是网络位，哪些位是主机位? 人们采取子网掩码来解决这一问题。所谓的子网掩码是和IP地址一一对应的32位二进制数，如果掩码中的某位为1，则和该位对应的 IP地址就是网络位；如果掩码中的某位为0，则和该位对应的IP地址就是主机位。

CIDR（无域间路由技术）

无域间路由的思想是：不按标准的地址分类规则分配剩余的IP地址，而是以可变大小的块方法进行分配。
无域间路由技术的两个特点：

无类域间路由使用“网络前缀（network–pr efix）”，形成新的无分类的二级地址结构，即<网络前缀 >，<主机号>。它取代了传统标准分类的IP地址与划分子网概念的“网络号+主机号”的结构，也不再使用子网的概念，所以三级结构的IP地址又重新回到了二级结构，然而它又不同于标准的IP地址的分类方法,因此是一种无分类的二级地址结构。

无类域间路由地址还可以采用“斜线记法”，即在IP地址后面加一个斜线“/”然后写上网络前缀所占的比特数。例如，表示前21位为网络前缀，后11位是主机号，则记为：201.113.22.0/21。

无类域间路由将网络前缀相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”块。起始地址与块地址数就可以表示一个CIDR地址块。块起始地址是指地址块中数值最小的那个地址。例如，当201.113.22.0/21表示的是一个地址块时，它的起始地址是201.113.22.0，地址块中的地址数是 $2^{11} 211。网络前缀表示对应21位的网络号是确定的，所以可以由获得这个地址块的机构分配的主机地址数有 2 32 − 21 = 2 11 2^{32-21}=2^{11} 232−21=211个。$

A类、B类与C类IP 地址中，主机号全为1的地址为广播地址，无类域间路由中的广播地址采用同一原则。例如，网络 135.35.0.0/16的广播地址就是将16位的主机号置1，即135.35.255.255；网络135.35.0.0/28 的广播地址应该是将4位的主机号置1，即 135.35.0.15。

子网划分 实例

例1：某企业申请C类IP地址203.74.205.0，现要划分4个子网，请确定子网掩码以及每个子网的IP地址范围。

确定子网位的位数

2

n

−

2

≥

4

2^n-2≥4

$2^{n} - 2 \geq 4$ ，得

n

=

3

n=3

$n = 3$ （此时可划分6个子网，题目只需4个）

确定掩码

子网划分：	1	1	0	网络地址（21位）	子网地址（3位）	主机地址（5位）

掩码：11111111.11111111.11111111.11100000（点分十进制表示：255.255.255.224）

确定子网的IP地址范围

将C类IP地址写成点分十进制：203.74.205.0->11001011.01001010.11001101.00000000

由于子网位不能全部为0，所以第一个子网就是指子网为001的子网，而主机位（还剩下5位）从00001到11110
子网1：11001011.01001010.11001101.00100001~11001011.01001010.11001101.00111110（203.74.205.33 – 203.74.205.62）
子网2：11001011.01001010.11001101.01000001~11001011.01001010.11001101.01011110（203.74.205.65 – 203.74.205.94）
子网3：11001011.01001010.11001101.01100001~11001011.01001010.11001101.01111110（203.74.205.97 – 203.74.205.126）
注意：通常来说，子网位不能全部为0，然而有的路由器在使用专门命名后是允许子网位全部为0的，这样可以减少IP地址的浪费。

例2：如果将172.0.35.128/25划分3个子网，其中第一个子网能容纳55台主机，另外两个子网分别能容纳25台主机，要求网络地址从小到大依次分配给3个子网，这3个子网的掩码分别为255.255.255.192、255.255.255.224和255.255.255.224，可用的IP地址段分别为172.0.35.129 – 172.0.35.190、172.0.35.193 – 172.0.35.222和172.0.35.225- 172.0.35.254。

确定主机位的位数

第一个子网：

2

n

−

2

≥

55

2^n-2≥55

$2^{n} - 2 \geq 55$ ，得

n

=

6

n=6

$n = 6$ （此时可容纳62台主机，题目只需55台）
第二个和第三个子网：

2

n

−

2

≥

25

2^n-2≥25

$2^{n} - 2 \geq 25$ ，得

n

=

5

n=5

$n = 5$ （此时可容纳30台主机，题目只需25台）

确定掩码
将C类IP地址写成点分十进制：172.0.35.128->10101100.00000000.00100011.10000000
掩码：11111111.11111111.11111111.10000000（点分十进制表示：255.255.255.128）
确定子网的IP地址范围

第一个子网：网络位24位，子网位2位，主机位6位
10101100.00000000.00100011.10000001~10101100.00000000.00100011.10111110（172.0.35.129 – 172.0.35.190）
子网掩码：11111111.11111111.11111111.11000000（点分十进制表示：255.255.255.192）

第二个子网：网络位24位，子网位3位，主机位5位
10101100.00000000.00100011.11000001~10101100.00000000.00100011.11011110（172.0.35.193 – 172.0.35.222）
子网掩码：11111111.11111111.11111111.11100000（点分十进制表示：255.255.255.224）

第三个子网：网络位24位，子网位3位，主机位5位
10101100.00000000.00100011.11100001~10101100.00000000.00100011.11111110（172.0.35.225- 172.0.35.254）
子网掩码：11111111.11111111.11111111.11100000（点分十进制表示：255.255.255.224）

VLSM（可变长子网掩码）

可变长子网掩码的主要作用是将IP网段进行分割，达到节省IP地址空间的目的。

某公司，有A、B、C、D四个部门，每个部门需要20个IP地址，该公司申请了一个C类地址块192.168.134.0/24，请给出合理的子网划分方案?

不使用VLSM方法划分

确定子网位的位数

2

n

−

2

≥

4

2^n-2≥4

$2^{n} - 2 \geq 4$ ，得

n

=

3

n=3

$n = 3$ （此时可划分6个子网，题目只需4个）

确定掩码
将C类IP地址写成点分十进制：192.168.134.0->11000000.10101000.10000110.00000000
掩码：11111111.11111111.11111111.00000000（点分十进制表示：255.255.255.0）
确定子网的IP地址范围

第一个子网：网络位24位，子网位3位，主机位5位
11000000.10101000.10000110.00100001~11000000.10101000.10000110.00111110（192.168.134.33 – 172.0.35.62）
子网掩码：11111111.11111111.11111111.11100000（点分十进制表示：255.255.255.224）

第二个子网：网络位24位，子网位3位，主机位5位
11000000.10101000.10000110.01000001~11000000.10101000.10000110.01011110（192.168.134.65 – 172.0.35.94）
子网掩码：11111111.11111111.11111111.11100000（点分十进制表示：255.255.255.224）

第三个子网：网络位24位，子网位3位，主机位5位
11000000.10101000.10000110.01100001~11000000.10101000.10000110.01111110（192.168.134.97 – 172.0.35.126）
子网掩码：11111111.11111111.11111111.11100000（点分十进制表示：255.255.255.224）

第四个子网：网络位24位，子网位3位，主机位5位
11000000.10101000.10000110.10000001~11000000.10101000.10000110.10011110（192.168.134.129 – 172.0.35.158）
子网掩码：11111111.11111111.11111111.11100000（点分十进制表示：255.255.255.224）

部门	A部门	B部门	C部门	D部门
子网区间	192.168.134.33 – 172.0.35.62	192.168.134.65 – 172.0.35.94	192.168.134.97 – 172.0.35.126	192.168.134.129 – 172.0.35.158
子网掩码	255.255.255.224	255.255.255.224	255.255.255.224	255.255.255.224

上面就是根据网络数量划分的子网，每个子网里面有5个主机位，那么每个网络里面的可用IP地址数量是

−

2^5-2=32-2=30

$2^{5} - 2 = 32 - 2 = 30$ 。
但是现在每个部门只需要20个IP地址就足够，现在经过划分之后，每个部门有30个IP地址，所以造成了浪费。如果现在公司由于发展成立一个新的E部门，该部门也需要20个IP地址。就需要重新划分，造成工作量的增加，所以第一种可扩展性不好，也不推荐用这种方法，第二种方案使用VLSM子网划分

使用VLSM方法划分

某公司，A，B，C，D四个部门，A部门需要100个IP地址，B部门需要50个IP地址，C和D部门需要25个IP地址，现在公司申请了一个C类地址块192.168.147.0/24，请给出合理的子网划分方案？

确定掩码
将C类IP地址写成点分十进制：192.168.147.0/24->11000000.10101000.10010011.00000000
掩码：11111111.11111111.11111111.00000000（点分十进制表示：255.255.255.0）
根据主机数量进行划分：第一次子网划分 (给A部门分配IP)
根据主机数量进行划分，A需要100个IP地址，

2

n

−

2

≥

100

2^n-2≥100

$2^{n} - 2 \geq 100$ ，得

n

=

7

n=7

$n = 7$ ，所以需要7个主机位。
子网1：11000000.10101000.10010011.0|0000000（192.168.147.0/25）
子网2：11000000.10101000.10010011.1|0000000（192.168.147.128/25）
掩码：11111111.11111111.11111111.1|0000000

根据上面的分法，子网1和子网2的可用IP地址数量都为126个，所以拿其中一个分配给A部门，则可满足A部门的需求。这里就把子网1分配给A部门(192.168.147.0/25)。

第二次子网划分(给B部门分配IP)
根据主机数量进行划分，B需要50个IP地址， $2^n-2≥50 2n−2≥50，得 n = 6 n=6 n=6，所以需要6个主机位。由于上面给A部门分配完之后，还剩下一个网络192.168.147.128/25，因此在子网2的基础上继续划分。子网2：11000000.10101000.10010011.1|0000000（192.168.147.128/25） ->在子网2的基础上进行细分：子网3：11000000.10101000.10010011.10|000000（192.168.147.128/26）子网4：11000000.10101000.10010011.11|000000（192.168.147.192/26）掩码：11111111.11111111.11111111.11|000000$

根据上面的分法，子网3和子网4的可用IP地址数量都为62个，所以拿其中一个分配给B部门，则可满足B部门的需求。这里就把子网3分配给A部门(192.168.147.128/26)。

第三次子网划分(给C和D部门分配IP)
根据主机数量进行划分，C、D需要25个IP地址， $2^n-2≥25 2n−2≥25，得 n = 5 n=5 n=5，所以需要5个主机位。由于上面给B部门分配完之后，还剩下一个网络192.168.147.192/26，因此在子网4的基础上继续划分。子网4：11000000.10101000.10010011.11|000000（192.168.147.192/26） ->在子网4的基础上进行细分：子网5：11000000.10101000.10010011.110|00000（192.168.147.192/27）子网6：11000000.10101000.10010011.111|00000（192.168.147.224/27）掩码：11111111.11111111.11111111.111|00000$

根据上面的分法，子网5和子网6的可用IP地址数量都为30个，均可满足C、D部门的需求。这里就把子网5分配给C部门(192.168.147.192/27)，把子网6分配给D部门(192.168.147.224/27)。

部门	A部门	B部门	C部门	D部门
子网区间	192.168.147.1 – 192.168.147.126	192.168.147.129 – 192.168.147.190	192.168.147.193 – 192.168.147.222	192.168.147.225 – 192.168.147.254
子网掩码	255.255.255.128	255.255.255. 192	255.255.255. 224	255.255.255. 224