IP地址及子网划分和计算.docx

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IP地址及子网划分和计算

IP地址及子网划分和计算

不管是学习网络还是上网，IP地址都是出现频率非常高的词。

Windows系统中设置IP地址的界面如图1所示，图中出现了IP地址、子网掩码、默认网关和DNS服务器这几个需要设置的地方，只有正确设置，网络才能通，那这些名词都是什么意思呢?

学习IP地址的相关知识时还会遇到网络地址、广播地址、子网等概念，这些又是什么意思呢？

图1

    要解答这些问题，先看一个日常生活中的例子。

如图2所示，住在北大街的住户要能互相找到对方，必须各自都要有个门牌号，这个门牌号就是各家的地址，门牌号的表示方法为：

北大街+XX号。

假如1号住户要找6号住户，过程是这样的，1号在大街上喊了一声：

"谁是6号，请回答。

"，这时北大街的住户都听到了，但只有6号作了回答，这个喊的过程叫"广播"，北大街的所有用户就是他的广播范围，假如北大街共有20个用户，那广播地址就是：

北大街21号。

也就是说，北大街的任何一个用户喊一声能让"广播地址-1"个用户听到。

图2

    从这个例中可以抽出下面几个词：

    街道地址：

北大街，如果给该大街一个地址则用第一个住户的地址-1，此例为：

北大街0号

    住户的号：

如1号、2号等。

    住户的地址：

街道地址+XX号，如北大街1号、北大街2号等

    广播地址：

最后一个住户的地址+1，此例为：

北大街21号

    Internet网络中，每个上网的计算机都有一个像上述例子的地址，这个地址就是IP地址，是分配给网络设备的门牌号，为了网络中的计算机能够互相访问，IP地址=网络地址+主机地址，图1中的IP地址是192.168.100.1，这个地址中包含了很多含义。

如下所示：

    网络地址（相当于街道地址）：

192.168.100.0

    主机地址（相当于各户的门号）：

0.0.0.1

    IP地址（相当于住户地址）：

网络地址+主机地址=192.168.100.1

    广播地址：

192.168.100.255

    这些地址是如何计算出来的呢？

为什么计算这些地址呢？

要想知道如何，先要明白一个道理，学习网络的目的就是如何让网络中的计算机相互通讯，也就是说要围绕着"通"这个字来学习和理解网络中的概念，而不是只为背几个名词。

    注：

192.168.100.1是私有地址，不能直接在Internet网络中应用，上Internet要转为公有地址，详细说明见后文。

一、为什么要计算网络地址

    一句话就是让网络中的计算机能够相互通讯。

先看看最简单的网络，图3中是用网线（交叉线）直接将两台计算机连起来。

下面是几种IP地址设置，看看在不同设置下网络是通还是不通。

    1、对1#机和2#机的IP地址做如下设置

1号机的IP地址为192.168.0.1子网掩码为255.255.255.0；

2号机的IP地址为192.168.0.200子网掩码为255.255.255.0，

这样它们就能正常通讯。

2、如果1号机地址不变，

将2号机的IP地址改为192.168.1.200子网掩码还是为255.255.255.0，

那这两台就无法通讯。

3、设置

1号机的IP地址为192.168.0.1子网掩码为255.255.255.192，

2号机的IP地址为192.168.0.200子网掩码为255.255.255.192，

注意和第1种情况的区别在于子网掩码，1为255.255.255.0本例是255.255.255.192，这两台计算机就不能正常通讯。

图3

    第1种情况能通是因为这两台计算机处在同一网络192.168.0.0，所以能通，而2、3种情况下两台计算机处在不同的网络，所以不通。

    这里先给个结论：

用网线直接连接或通过HUB或普通交换机间连接的计算机之间要能够相互通，计算机必须要在同一网络，也就是说它们的网络地址必须相同，而且主机地址必须不一样。

如果不在一个网络就无法通。

这就像我们上面举的例子，同是北大街的住户由于街道名称都是北大街，且各自的门牌号不同，所以能够相互找到对方。

    计算网络地址就是判断网络中的计算机是否在同一网络，在就能通，不在就不能通。

注意，这里说的是否在同一网络指的是IP地址而不是物理连接。

那么如何计算呢？

二、如何计算网络地址

    我们日常生活中的地址如：

北大街1号，从字面上就能看出街道地址是北大街，而我们从IP地址中却难以看出网络地址，要计算网络地址，必须借助我们上边提到过的子网掩码。

    计算过程是这样的，将IP地址和子网掩码都换算成二进制，然后进行与运算，结果就是网络地址。

与运算如下所示，上下对齐，1位1位的算，1与1=1，其余组合都为0

图4

    例如：

计算IP地址为：

202.99.160.50子网掩码是255.255.255.0的网络地址步骤如下：

    1）将IP地址和子网掩码分别换算成二进制

    202.99.160.50换算成二进制为11001010·01100011·10100000·00110010

    255.255.255.0换算成二进制为11111111·11111111·11111111·00000000

    2）将二者进行与运算

图5

    3）将运算结果换算成十进制，这就是网络地址。

    11001010·01100011·10100000·00000000换算成十进制就是202.99.160.0

    现在我们就可以解答上面三种情况的通与不通的问题了。

   1、从下面运算结果可看出两计算机的网络地址都为192.168.0.0且IP地址不同，所以可以通。

图6

    2、从下面运算结果可以看出1号机的网络地址为192.168.0.0；2号机的网络地址为192.168.1.0不在一个网络，所以不通。

图7

    3、从下面运算结果可以看出1号机的网络地址为192.168.0.0，2号机的网络地址为192.168.0.192不在一个网络，所以不通

图8

    看到这里大家应该明白为何要计算网络地址和如何计算了，但也许还有很多疑问，如IP地址为什么写成这样，子网掩码到底是怎么回事等等，别急，下面慢慢介绍。

三、IP地址的介绍

1、IP地址的表示方法

IP地址

=

网络号

+

主机号

192.168.100.1

=

192.168.100.0

+

0.0.0.1

192.168.100.3

=

192.168.100.0

+

0.0.0.3

192.168.1.100

=

192.168.1.0

+

0.0.0.100

如果把整个Internet网作为一个单一的网络，IP地址就是给每个连在Internet网的主机分配一个全世界范围内唯一的标示符，Internet管理委员会定义了A、B、C、D、E五类地址，在每类地址中，还规定了网络编号和主机编号。

在TCP/IP协议中，IP地址是以二进制数字形式出现的，共32bit，1bit就是二进制中的1位，但这种形式非常不适用于人阅读和记忆。

因此Internet管理委员会决定采用一种"点分十进制表示法"表示IP地址：

面向用户的文档中，由四段构成的32比特的IP地址被直观地表示为四个以圆点隔开的十进制整数，其中，每一个整数对应一个字节（8个比特为一个字节称为一段）。

A、B、C类最常用，下面加以介绍。

本文介绍的都是版本4的IP地址，称为IPv4.

从上图可以看出：

A类地址：

A类地址的网络标识由第一组8位二进制数表示，

A类地址的特点是网络标识的第一位二进制数取值必须为"0"。

比如：

1.x.y.z

＝

00000001.x.y.z

10.x.y.z

＝

00001010.x.y.z

27.x.y.z 

＝

00011011.x.y.z

102.x.y.z

＝

01100110.x.y.z

127.x.y.z

＝

01111111.x.y.z

注意，127除了第一位为0，其他每位均为1。

下一个更高的二进制值将在最左位上设置1，然而，其结果不是A类地址。

所以，127.x.y.z是最高的A类地址。

A类地址使用第一个八位二进制比特位表示惟一性网络地址，而用其余3个八位二进制位表示该网络上的主机地址。

由于第一个比特位为0，所以，在第一个八位二进制位中余下的7位用于将本网络与其他网络区分开来。

而另24位由每个主机使用，作为该网上标识自己的编号。

要注意重要的规则是网络地址不可以全部为0。

这就是说，只有127个A类地址可用。

使人马上想到有127个网络，下面的等式提供：

27-1＝127

上式中的2是每比特位可能的值（1或0），7是所用的位数量，1是7位均为0的地址（注意：

网络地址不能全为0）。

对于127个网络中的每个网络，每个地址使用另24位组成自己的主机惟一性。

24位的所有可能组合产生了惟一性主机IP地址的数量，可用于127个网络中的每个网络，127个A类网络的每个都有224—2=16，777，214个可能的惟一性IP地址。

地址的主机部分也不能全为0，且不能全为1。

这样，每个A类网的主机数量从下面公式得出：

224-2＝16,777,214

减去2是因为全为1和全为0的地址是无效的。

在127个可以使用的A类网络中，有一个地址预留出来为测试使用：

网络地址127.x.y.z被预留为回送地址。

比如，网络管理员正测试TCP/IP安装时，测试127.0.0.1指的是被测试的主机。

这样实际能使用的A类网络号只有126个。

B类地址：

B类地址的第一个八位二进制位的十进制数是在128到191。

比如：

128.x.y.z

以二进制数来看，B类地址的最左两位总是10。

如：

128.x.y.z

＝

10000000.x.y.z

151.x.y.z

＝

10010111.x.y.z

165.x.y.z

＝

10100101.x.y.z

191.x.y.z

＝

10111111.x.y.z

注意，191的八位二进制位的每位都是1，只有左数第2位是0。

下一个比它大的二进制值将在左数第2位上设1，其结果就不是B类地址了。

这样，191.x.y.z是最高的B类地址。

B类地址使用最前面的两个八位二进制位表示惟一性网络地址，并用另两个八位二进制位组成该网络上的惟一性主机地址。

因为头两位为10，所以，就用第一个字节的其余6位和第2字节的所有8位标识出本网络。

主机使用16位在网络上标识自己。

下式提供了B类网的数量：

214＝16,384

即可以使用16,384个B类网。

在这16,384个网络中的每个网上，每个地址使用另16位标识自己。

16位的所有可能的组合生成惟一性主机IP地址的数量。

16,384个网络的每个均可有此数量的主机IP地址。

16,384个B类网络的每个网上可能有65,534个唯一性IP地址：

216－2＝65,534

C类地址：

C类地址的第一个字节的十进制数在192和223之间。

如：

192.x.y.z

用二进制来看， C类地址的最左三位为110。

如：

192.x.y.z

＝

11000000.x.y.z

200.x.y.z

＝

11001000.x.y.z

210.x.y.z

＝

11010010.x.y.z

223.x.y.z

＝

11011111.x.y.z

注意，223除了左数第3位为0，其他位均为l。

下一个比它高的二进制数将在左数第3位上设1，结果地址将不属于C类。

所以，223.x.y.z是最高C类地址。

C类地址使用前三个字节表示惟一性网络地址，并用其余的一个字节表示该网上的惟一性主机地址。

因为第一个字节的前三位是110，C类地址的网络部分包括第一个字节剩下的5位、第二个字节的所有8位以及第3个字节的所有8位，总共21位。

主机使用剩下的8位在该网络上标识自己。

C类网数量可以有：

221=2,0971,152

也就是说，可以使用的C类网共有2,097,152个。

在2,097,152个网的每个网上，每个地址使用其他8位标识自己。

8个位的所有可能组合生成惟一性IP地址数量，这个数量可用于2,097,152个网络的每个网上。

2,097,152个C类网的每个网络有255个可能的惟一性IP地址：

28－2＝254

  有些人对范围是2x不太理解，举个简单的例子加以说明。

如C类网，每个网络允许有28-2=254台主机是这样来的。

因为C类网的主机位是8位，变化如下:

00000000

00000001

00000010

00000011

……

11111110

11111111

  除去00000000和11111111不用外，从00000001到11111110共有254个变化，也就是28-2个。

下图是IP地址的使用范围。

2、几个特殊的IP地址

1）私有地址

  上面提到IP地址在全世界范围内唯一，看到这句话你可能有这样的疑问，像192.168.0.1这样的地址在许多地方都能看到，并不唯一，这是为何？

Internet管理委员会规定如下地址段为私有地址，私有地址可以自己组网时用，但不能在Internet网上用，Internet网没有这些地址的路由，有这些地址的计算机要上网必须转换成为合法的IP地址,也称为公网地址，这就像有许多的世界公园，每个公园内都可命名相同的大街，如香榭丽舍大街，但对外我们只能看到公园的地址和真正的香榭丽舍大街。

下面是A、B、C类网络中的私有地址段。

你自己组网时就可以用这些地址了。

  10.0.0.0～10.255.255.255

  172.16.0.0～172.31.255.255

  192.168.0.0～192.168.255.255

2）回送地址

  A类网络地址127是一个保留地址，用于网络软件测试以及本地机进程间通信，叫做回送地址（loopbackaddress）。

无论什么程序，一旦使用回送地址发送数据，协议软件立即返回之，不进行任何网络传输。

含网络号127的分组不能出现在任何网络上。

[小技巧]

Ping127.0.0.1,如果反馈信息失败,说明IP协议栈有错,必须重新安装TCP/IP协议。

如果成功,ping本机IP地址,如果反馈信息失败,说明你的网卡不能和IP协议栈进行通信。

如果网卡没接网线，用本机的一些服务如SqlServer、IIS等就可以用127.0.0.1这个地址。

3）广播地址

  TCP/IP规定，主机号全为"1"的网络地址用于广播之用，叫做广播地址。

所谓广播，指同时向同一子网所有主机发送报文。

4）网络地址

    TCP/IP协议规定，各位全为"0"的网络号被解释成"本"网络。

由上可以看出：

一、含网络号127的分组不能出现在任何网络上；二、主机和网关不能为该地址广播任何寻径信息。

由以上规定可以看出，主机号全"0"全"1"的地址在TCP/IP协议中有特殊含义，一般不能用作一台主机的有效地址。

3、子网掩码

  从上面的例子可以看出，子网掩码的作用就是和IP地址与运算后得出网络地址，子网掩码也是32bit，并且是一串1后跟随一串0组成，其中1表示在IP地址中的网络号对应的位数，而0表示在IP地址中主机对应的位数。

1）标准子网掩码

    A类网络（1-126）缺省子网掩码：

255·0·0·0

  255·0·0·0换算成二进制为11111111·00000000·00000000·00000000

  可以清楚地看出前8位是网络地址，后24位是主机地址，也就是说，如果用的是标准子网掩码，看第一段地址即可看出是不是同一网络的。

如21.0.0.0.1和21.240.230.1，第一段为21属于A类，如果用的是默认的子网掩码，那这两个地址就是一个网段的。

  B类网络（128-191）缺省子网掩码：

255·255·0·0

  C类网络（192-223）缺省子网掩码：

255·255·255·0

  B类、C类分析同上。

2）特殊的子网掩码

  标准子网掩码出现的都是255和0的组合，在实际的应用中还有下面的子网掩码

  255·128·0·0

  255·192·0·0

  。

。

。

。

。

。

  255·255·192·0

  255·255·240·0

  。

。

。

。

。

。

  255·255·255·248

  255·255·255·252

  这些子网掩码又是什么意思呢？

这些子网掩码的出现是为了把一个网络划分成多个子网络。

还记得上面的例子吗？

如下所示：

192·168·0·1和192·168·0·200如果是默认掩码255.255.255.0两个地址就是一个网络的，如果掩码变为255.255.255.192这样各地址就不属于一个网络了。

下面将对子网划分作详细介绍。

当子网掩码为255·255·255·0时，通过下式计算网络地址为192.168.0.0

192·168·000·001

11000000·10101000·00000000·00000001

192·168·000·200

11000000·10101000·00000000·11001000

255·255·255·000

11111111·11111111·11111111·00000000

当子网掩码为255·255·255·192时，通过下式计算网络地址为192.168.0.192

192·168·000·001

11000000·10101000·00000000·00000001

192·168·000·200

11000000·10101000·00000000·11001000

255·255·255·192

11111111·11111111·11111111·11000000

四、通过IP地址和子网掩码与运算计算相关地址

    知道ip地址和子网掩码后可以算出：

    1、网络地址

    2、广播地址

    3、地址范围

4、本网有几台主机

5、与运算规则：

1与1为1，1与0、0与1均为0

【例1】

[题目]下面例子IP地址为192.168.100.5子网掩码是255.255.255.0。

算出网络地址、广播地址、地址范围、主机数。

[分析]

一）分步骤计算

    1）将IP地址和子网掩码换算为二进制，子网掩码连续全1的是网络地址，后面的是主机地址。

虚线前为网络地址，虚线后为主机地址

网络地址（网络ID）

主机ID

192.168.100.5

11000000.10101000.01100100.00000101

255.255.255.0

11111111.11111111.11111111.00000000

与运算

结果为

192.168.100.0

11000000.10101000.01100100.00000000

2）本例中所给地址所C类地址，则IP地址和子网掩码进行与运算所得结果是网络地址

    3）将上面的网络地址中的网络地址部分不变，主机地址变为全1，结果就是广播地址。

    4）地址范围就是包含在本网段内的所有主机

    网络地址加1即为第一个主机地址，广播地址减1即为最后一个主机地址，由此可以看出

    地址范围是：

网络地址+1至广播地址-1

    本例的网络范围是：

192·168·100·1至192·168·100·254

    也就是说下面的地址都是一个网段的。

192·168·100·1、192·168·100·2。

。

。

192·168·100·20。

。

。

192·168·100·111。

。

。

192·168·100·254

5）主机的数量

    主机的数量=2二进制的主机位数-2

    减2是因为主机地址不包括网络地址和广播地址。

本例二进制的主机位数是8位。

    主机的数量=28–2=254

二）总体计算

    我们把上边的例子合起来计算一下过程如下：

例2：

IP地址为128·36·199·3子网掩码是255·255·240·0。

算出网络地址、广播地址、地址范围、主机数。

1）将IP地址和子网掩码换算为二进制，子网掩码连续全1的是网络地址，后面的是主机地址，虚线前为网络地址，虚线后为主机地址

2）IP地址和子网掩码进行与运算，结果是网络地址

3）将运算结果中的网络地址不变，主机地址变为1，结果就是广播地址。

4）地址范围就是含在本网段内的所有主机

网络地址+1即为第一个主机地址，广播地址-1即为最后一个主机地址，由此可以看出

地址范围是：

网络地址+1至广播地址-1

本例的网络范围是：

128·36·192·1至128·36·207·254

5）主机的数量

主机的数量=2二进制位数的主机-2

主机的数量=212–2=4094

减2是因为主机不包括网络地址和广播地址。

【小结】

1、从上面两个例子可以看出：

不管子网掩码是标准的还是特殊的，计算网络地址、广播地址、地址数时只要把地址换算成二进制，然后从子网掩码处分清楚连续1以前的是网络地址，后是主机地址进行相应计算即可。

2、地址范围就是含在本网段内的所有主机

网络地址+1即为第一个主机地址

广播地址-1即为最后一个主机地址

由此可以看出，地址范围是：

网络地址+1至广播地址-1

3、主机的数量=2二进制位数的主机-2

五、划分子网

上面的例子192.168.0.0子网掩码为255.255.255.0的这个网络中可容纳254台主机，如果想把一个网络分成两个以上的网络该如何分呢？

IP地址是由网络地址+主机地址组成的，增加网络部分的长度，减少主机地址的长度就能将一个网络划分成数个网络。

具体的解决办法就是增加子网掩码中连续1，这样相应的主机地址就减少了。

看个具体的例子就明白了。

192·168·0·0

11000000·10101000·00000000·00000000

255·255·255·0

11111111·11111111·11111111·00000000

子网掩码由255·255·255·0变为255·255·255·192后网络位和主机位变化如下：

192·168·0·0

11000000·10101000·00000000·00000000

255·255·255·192

11111111·11111111·11111111·11000000

可看出当子网掩码从网络位从255·255·255·0变为255·255·255·192时网络位由24位变成26位，IP地址前24位是规定的网络位数，是不能改变的，而从主机借来的25、26两位是可以改变的。

11000000·10101000·00000000·00000000

11000000·1010