浅析子网及子网掩码在网络中的应用Word文档格式.docx
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2.2计算机网络的发展历史8
2.2.1理论准备阶段8
2.2.2分组交换的产生8
2.2.3因特网时代9
2.3计算机网络的主要分类9
2.3.1计算机网络的地域分类9
2.3.2计算机网络的拓扑分类10
2.3.3计算机网络的所属关系分类11
2.4TCP/IP协议栈11
2.4.1TCP协议12
2.4.2IP协议14
2.5IP地址15
2.5.1IP地址概述15
2.5.2IP地址的分类16
2.5.3特殊的IP地址17
第3章下一代IP（IPV6）地址19
3.1IPV6地址概述19
3.2IPV6地址表示法19
3.3压缩零位20
3.4IPV6地址前缀20
3.5IPV6地址类型20
3.5.1全球单播地址20
3.5.2链路本地地址21
3.5.3站点本地地址21
3.5.4唯一本地地址22
3.6特殊的IPV6地址22
3.6.1全0地址22
3.6.2环回地址22
第4章子网掩码23
4.1子网掩码概述23
4.2子网掩码的作用23
4.3子网掩码与IPV4地址的关系23
4.4子网掩码的分类24
第5章子网及子网划分25
5.1子网划分的必要性25
5.2子网划分25
5.3如何进行子网划分27
5.4运用VLSM进行多级子网划分28
5.4.1运用VLSM进行子网划分的一般方法28
5.4.2基于图表的快速VLSM子网划分31
5.4.3使用VLSM的注意事项33
5.5VLSM子网划分实例34
5.5.1学校组网需求34
5.5.2需求分析及子网划分34
5.5.3PacketTracer简介36
5.5.4网络具体配置36
5.6子网划分的优点和不足42
5.7IPV6地址空间中的子网划分44
第6章总结与展望47
6.1总结47
6.2展望47
[参考文献]49
Abstract50
致谢51
第1章引言
1.1研究的背景和意义
随着计算机网络的迅猛发展及其的普及应用，越来越多的个人、单位或部门都接入到互联网中，这使得本身数量有限且分配不合理的IP（IPV4）地址即将消耗殆尽，迫切需要人们采取有效措施来缓解当前IP（IPV4）地址紧缺的现状，从而适应英特网的快速扩展。
充分掌握有关子网、子网掩码和子网划分等相关知识，合理有效地进行子网划分，将一个较大的网络划分为若干个较小的网络，不仅方便网络管理、提高网络安全性，还可以更加合理的分配IP（IPV4）地址，提高IP（IPV4）地址的利用率，进而节省IP（IPV4）地址，缓解IP（IPV4）地址枯竭的现状。
可见，对子网和子网掩码在网络中的应用进行研究意义深远。
1.2国内外研究现状及存在的问题
目前，全球普遍使用的仍然是IPV4网络，IPV6网络还未能得到普及。
从区域上看，目前美国和欧洲国家对IPV6的发展以研究和实验为主体，日本和韩国等亚洲国家则在IPV6的商用及业务开展方面处于领先地位，中国起步晚于日本和韩国等国家，但是中国互联网和通信市场的巨大空间和前景，都使中国有机会、有潜力成为未来IPV6产业化进程中举足轻重的一部分。
美国是IPV4的发源地，地址资源和商业应用占据了先天的优势，因此目前既没有地址短缺的忧虑，也不愿意改动花费亿万美金构建的IPV4商业网络体系，所以美国主要以IPV6研究、协调中心的面目出现。
欧洲的移动通信事业相当发达，因此它们在IPV6的研究和商业化应用方面更注重移动通信领域的扩展，采取的是“先移动，后固定”的基本战略，在第三代移动网中率先引入IPV6。
日本虽然是互联网的后起国家，但由于电子设备和信息家电产业高度发达，对IP地址迫切需要，因此在IPV6研究和应用方面，步伐大、速度快，而且在IPV6商业化推广方面一直走在世界前列。
韩国政府引导IPV6技术的发展，特别是MIC（是根据韩国电气通讯法和电波法施行的针对信息通讯设备和ITE产品及电脑周边办公设备,以及各种无线射频产品的强制认证。
）从2000年开始对IPV4/IPV6过渡技术进行投资，使韩国的IPV6实验床非常活跃。
中国起步晚于日本和韩国等国家，但是中国互联网和通信市场的巨大空间和前景，都使中国有机会、有潜力成为未来IPV6产业化进程中举足轻重的一部分，但目前在中国普遍使用的仍然是IPV4网络。
然而，国外有关子网和子网掩码的论文还很少，国内类似的文章虽然有一些，很多国内论文中也都对子网划分进行了讲解，但是很多都只是单一的讲述了对网络进行子网划分的方法和手段。
孙红科和高金玉[10]发表在《计算机与信息技术》的论文《计算机网络中子网的划分》虽然介绍了子网的定义并详细说明了进行子网划分的步骤，但对于子网划分的优缺点并没有做任何的分析和讲解，同样也没有考虑到划分过多子网会造成边界路由器的路由条目过多，增加边界路由器的负担等问题。
闫国栋和王鹏[11]发表在《赤峰学院学报（自然科学版）》的论文《基于IPV4的IP子网划分》同样讲解了IP地址和子网掩码的概念，并介绍了子网划分且列举了子网划分的简单实例，但是，同样没有对子网划分的优缺点进行分析，且没有具体实现案例。
王会珍[12]发表在《上饶师范学院学报》的论文《基于VLSM的子网划分与编址》同样介绍了IPV4的地址结构、VLSM和子网划分，但是，文中没有列举具体案例，且介绍不够详细，没有指出应用VLSM时应该注意的一些问题，因为并不是任何情况下网络都能支持VLSM，如RIPV１就不支持VLSM，同样也没有对子网划分的优缺点进行分析。
总之，针对IPV4中IP地址短缺、网络规模不断扩大和局域网内广播域过大导致网络性能下降等诸多问题，很多网络工作者或爱好者已经做了很多的研究和思考，人们提出了对IPV4网络进行子网划分（Subnetting）[1,2,3]、网络地址转换NAT（NetworkAddressTranslation）[2,3]、变长子网掩码VLSM（VariableLengthSubnetMask）[2,3]和cisco公司的TonyLi与其他人一起提出的无类域间路由CIDR（ClasslessInterDomainRouting）[2,3]等技术方案，但是所做的研究都是相对独立的、分散的，并没有做出一个系统的、综合的研究，缺乏研究的系统性和全面性。
所以，对于子网和子网划分这一相关问题还有待于进一步的分析和研究。
1.3本文的研究内容
本文基于上述问题展开研究，主要论述了IPV4中的子网、子网划分及进行子网划分的意义，作为扩展，本文还讲述了有关IPV6地址及基于IPV6的子网划分。
具体概括如下：
1）不仅介绍了一般子网划分的方法，还进一步将VLSM运用于一般的子网划分，并归结出了运用VLSM快速进行多级子网划分的方法。
2）具体分析子网划分优点的同时也看到了子网划分的不足，即：
会增加边界路由器的负载和会无意间浪费一部分IP地址，从而得出了应该慎重进行子网划分，而不是划分子网越多越好的结论。
3）重点讲解IPV4地址空间中的子网划分的同时，作为扩展，本文还介绍了基于IPV6的子网划分。
1.4文章组织
文章的内容安排如下：
第1章中，主要介绍了研究背景和意义、研究现状及存在的问题、本文研究内容和文章组织。
第2章中，主要介绍了计算机网络的相关知识，包括计算机网络的定义、发展历史、分类、IP地址和主要的协议等。
第3章中，主要介绍了IPV6地址，包括IPV6地址概述、表示方法、地址前缀和地址类型等。
第4章中，主要介绍了子网掩码的相关知识，包括子网掩码的概述、作用、分类和其与IP地址的关系等。
第５章中，主要介绍了子网及子网划分的相关知识，包括子网划分的必要性、什么是子网划分、如何进行子网划分、运用VLSM进行多级子网划分、子网划分的优缺点和IPV6地址空间中的子网划分等。
第6章中，对文章进行了总结。
第2章初识计算机网络
2.1计算机网络的定义
关于什么是计算机网络（computernetworks），现在还没有统一的定义。
我们最简单可以将其定义为：
计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合[6]。
更精确的说，计算机网络即是通过通信线路将位于不同地理位置的和功能不同的多台计算机及其外设连接起来，运用网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议实现资源共享和信息传递的计算机系统。
2.2计算机网络的发展历史
纵观计算机网络的发展历程，其主要经历了以下几个发展过程：
2.2.1理论准备阶段
20世纪50年代，人们开始将彼此独立发展的计算机技术与通信技术相结合，从而实现对计算机资源的最大利用。
人们对数据通信与计算机通信网络的研究，为计算机网络的出现做好了理论和技术准备，奠定了理论基础，因此，可以将这个阶段视为计算机网络的理论准备阶段。
2.2.2分组交换的产生
20世纪60年代，美国国防部高级研究计划署ARPA提出要研制一种崭新的网络对付来自前苏联的核攻击威胁并要求这种网络能连接各种不同类型的计算机，并使在网络中的各个节点，都拥有同等的重要性，从而保障网络的安全性。
计算机在通信时，必须有迂回路由，当链路或结点被破坏时，迂回路由能使正在进行的通信自动地找到合适的路由。
最重要的一点，计算机网络要非常可靠地传送数据。
一批专家后来设计出了使用分组交换的新型计算机网络。
分组交换采用存储转发技术，把需要发送的数据分成一个个的“分组”后在网络中传输。
分组交换网由若干个结点交换机和连接这些交换机的链路组成，它的特征是基于标记的，分组的首部是一些重要的控制信息。
采用存储转发的分组交换的实质是采用了在数据通信的过程中动态分配传输带宽的策略。
2.2.3因特网时代
Internet的基础结构大体经历了三个阶段的演进：
从单个网络ARPAnet向互联网发展、建立三级结构的因特网、多级结构因特网，这三个阶段在时间上有部分重叠。
1991年开始，Internet开始用于商业用途，Internet的商业化，成为Internet发展的催化剂，使得它以空前的速度迅速发展，服务器的增多，连入网络的计算机数目的增多以及主干网速度的提升，都为商业提供了广阔的发展空间，同时，网络的发展也受到商业发展的影响。
如今，随着计算机网络技术的不断发展和成熟，各种网络应用不断产生，使得计算机网络已经渗入到了商业、金融、政府、医疗、科研和教育等各个社会部门，使得网络成为了我们生活中不可缺失的一个重要组成部分。
2.3计算机网络的主要分类
从地域、拓扑结构、所属关系可将其分为三类。
2.3.1计算机网络的地域分类
计算机网络分类的一种常用方法是根据计算机网络覆盖的地域范围来进行划分。
依据这种分类标准，通常将计算机网络分为：
局域网（LocalAreaNetwork，LAN）、城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）和广域网（WideAreaNetwork，WAN）。
（a）局域网（LocalAreaNetwork，LAN）
局域网又称内网，是在一个局部的地理范围内（如一个学校、工厂和机关内），一般是方圆几千米以内，将各种计算机，外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。
局域网中的计算机数量没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台，它一般是用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，但其作用范围较小，一般在几米至10公里以内。
（b）城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）
城域网是在一个城市范围内所建立的计算机通信网，简称MAN。
这些网络通常涵盖一个大学校园或一座城市，作用距离大约为5至50公里。
城域网目前采用的是以太网技术，因此很多时候也将其与局域网一起讨论。
（c）广域网（WideAreaNetwork，WAN）
广域网又称外网、公网、远程网，是连接不同地区的局域网或城域网的计算机通信的远程网。
其通常跨接很大的地理范围，覆盖范围从几十公里到几千公里，能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。
2.3.2计算机网络的拓扑分类
计算机网络的网络拓扑即是计算机网络通信线路互相连接的方式。
如果画一张图来示意计算机网络所有线路和节点的互连方式而不考虑它们在地域上的位置，就可以看到该网络的拓扑。
根据网络的拓扑结构，我们通常将计算机网络分为：
星型网络、层次型网络和网状网络等。
（a）星型网络
星型网络（StarNetwork）的所有线路都从中心节点向外辐射，中心节点通常是服务器群或一台主机，和其他网络相比更易于控制和管理网络，如图2-1所示。
加入星型网络的线路数量或每条线路的长度是不限的，另一方面，由于中心节点控制所有传输，所有的传输都流经中心节点，因此中心节点易成为单个故障点。
图2-1星型网络
（b）层次型网络
层次型网络（HierarchicalNetwork）是一个树形的结构，该结构中的顶部节点称为根节点（rootnode）。
该结构的网络多用于公司和学校等，如图2-2所示。
图2-2层次型网络
（c）网状网络
网状网络（MeshNetwork），顾名思义，它的拓扑结构就像一张网，和数据结构中的图相似。
网状网络与层次网络很相似，只不过网状网络的不同或相同层次的节点之间存在更多互连，如图2-3所示。
在完全互连的网状网络中，每个节点都连接到其他所有节点。
由于开销上的原因，这种全连接网络很少实现。
图2-3网状网络
2.3.3计算机网络的所属关系分类
计算机网络的另一种分类方法是根据它们的所属关系区分，根据这一划分标准，可以将计算机网络分为两类，即：
私有网络（PrivateNetwork）和公共网络（PublicNetwork）。
（a）私有网络（PrivateNetwork）
是某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而创建的网络，这种网络不向本单位以外的人提供服务。
（b）公共网络（PublicNetwork）
公用网络是指电信公司、公共运营商或其他组织出资建造的大型网络，所有愿意按照电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用这种网络。
2.4TCP/IP协议栈
计算机网络最初的OSI（OpenSystemInterconnect）参考模型于1978年开发，将计算机网络划分为七层，在20世纪70年代后期和80年代得到广泛应用。
20世纪70年代，美国国防部（DoD）希望将从不同供应商购买的计算机与网络互连，由于OSI模型的标准进展缓慢，美国政府的高级研究计划署（ARPA）开发了一组称为TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）的协议，用于支持网络互连。
人们用其中最主要的TCP和IP两个协议也将其称为TCP/IP栈，它将网络分为四层（有些参考书中也将其分为五层）。
这些协议最初用在阿帕网中，阿帕网是一个连接美国各种政府部门和大学研究实验室的网络，其最终发展成为因特网。
OSI和TCP/IP对网络分层的对比如图2-4所示。
图2-4OSI和TCP/IP模型对比
2.4.1TCP协议
TCP是传输控制协议（TransmissionControlProtocol）的缩写，主要负责主机到主机层的可靠数据传输。
TCP是一个全双工、面向连接、可靠的并且是精确控制的协议，其从应用程序中得到大段的信息数据，然后将其分割成若干个数据段，将各个数据段编号并排序后进行传输，目的方的主机通过TCP协议又可以将这些数据段再重新组合成原来的应用数据。
为了让数据段的接收方主机能够将收到的各个数据段重新组合成原来的应用数据，需要在数据段的头部添加一些附加信息，我们将其称为TCP报头，格式如图2-5所示。
图2-5TCP报头
TCP报头的各个字段的含义如下：
✧源端口号：
主机发送数据所用的端口号，相当于网络层的源IP地址；
✧目的端口号：
目的主机接收数据时的端口号，相当于网络层的目的IP地址；
✧序列号：
TCP用于将数据重新组合为原来正确的顺序或用于对丢失、损坏的数据进行重传的编号；
✧确认应答窗口：
用于说明下一个希望接收的数据段编号；
✧头长度：
指明数据段的起始位置；
✧保留：
留作备用，总是被设置为0；
✧代码位：
主要是一些控制功能。
包括：
a．紧急比特URG——当URG＝1时，表示紧急指针字段有效。
它告诉系统该报文段中有紧急数据，应当尽快传送（相当于优先级高的数据）。
b．确认比特ACK——只有ACK＝1时确认号字段才有效。
ACK＝0时，确认号无效。
c．复位比特RST（Reset）——当RST＝1时，表明TCP连接中出现严重差错（如由于主机崩溃、电磁干扰或其他原因），必须释放当前的连接，然后再重新建立传输连接。
d．同步比特SYN——同步比特SYN置为1，就表示这是一个连接请求或连接接受报文。
e．终止比特FIN（FINAL）——用来释放一个传输连接。
当FIN＝1时，表明此报文段发送端的数据已发送完毕，并要求释放该连接。
✧窗口：
发送方将被允许的窗口尺寸；
✧校验和：
检验和覆盖了TCP首部和TCP数据。
这是一个强制性的字段，一定是由发送端计算和存储，并由收端进行验证，从而判定接受到的数据在传输途中是否发生错误。
✧紧急指针：
如果这个字段有效（为1），这个值就指明了第一个非常紧急数据的真实位置；
✧选项：
在需要时，可以是0或32位的倍数。
2.4.2IP协议
IP协议，即为因特网协议（InternetProtocol）的缩写，IP是一个无连接的协议，主要就是负责在主机间寻址并为数据包设定路由，在交换数据前它并不建立会话，因为它不保证正确传递，另一方面，数据在被收到时，IP不需要收到确认，所以它是不可靠的。
当数据从主机到主机层（传输层）传下来时，会被附加一些用于识别的额外的数据，我们称之为IP报头，如图2-6所示。
图2-6IP报头
IP报头中的各个字段的含义如下：
✧版本号：
IP协议的版本，目前有IPV4和IPV6两个版本，IPV6还未普及，不过是未来网络的发展方向。
✧首部长度：
用来确定IP数据包中的数据部分的实际开始位置。
因为一个IPV4数据包可包含一些可选项（包含在IPV4数据包的首部中）。
✧服务类型：
服务类型（TOS）比特用来使不同类型的IP数据报（如：
一些要求低时延、高吞吐量或高可靠性的数据报）能区分开来。
✧数据报长度：
用来表示IP数据报的总长度（总长度=首部长度+数据部分长度），单位为字节。
所以，IP数据报的最大理论长度是65535字节（216=65536），但是，实际上很少有IP数据报的长度超过1500字节。
✧标识：
发送方赋予数据包的标识符，接收方利用其和源地址判断收到的分组属于哪个数据包。
✧标志：
只有低两位有效，第一位为0时表示该分片为最后一片，为1时表示后面还有分片；
第二位为0时表示可以对数据包进行分片，为1时表示不能分片。
✧分段偏移：
表示此分片数据在初始数据包中的偏移量，为重组时的分片顺序提供依据，偏移量以八字节为单位。
✧存活期（TTL）：
用来确定数据包不会永远在网络中循环。
每当数据包经过一台路由器时，TTL字段的值减1，当TTL字段的值减为0时，该数据包被丢弃。
✧上层协议：
该字段的值指明了IP数据包的数据应交给哪个传输层协议，当该字段值为6时表示应交给TCP，值为17时应交给UDP（UserDatagramProtocol，是传输层的一种无连接和不可靠的传输协议）。
该字段仅在一个IP数据报到达最终目的地时才会用到。
特别提醒：
协议号是将网络层和传输层绑定到一起的粘合剂，端口号是将运输层和应用层绑定在一起的粘合剂。
✧首部校验和：
用来帮助路由器检测收到的IP数据包中是否存在比特错误。
✧源IP地址：
发送端的32位的IP地址。
✧目的IP地址：
接收端的32位的IP地址。
选项字段允许IP首部被扩展，可用于网络检测、调试、安全以及更多内容，很少使用。
2.5IP地址
2.5.1IP地址概述
我们知道因特网是全世界范围内的计算机连为一体而构成的通信网络的总称。
连接在某个网络中的两台计算机需要通信是，在它们所传送的数据包中会含有某些附加信息，从而来指明发送数据的计算机的地址和接收数据的计算机的地址。
像这样，人们为了通信的方便给网络中的每一台计算机都事先分配一个类似我们日常生活中的电话号码或身份证号码一样的地址标识，该地址标识被人们称为IP地址。
IP地址是一个软件地址，它由32位的二进制位组成，分为两部分，一部分用来标识计算机所在的网络，称为网络位；
另一部分用来标识网络中的主机，称为主机位。
由于32位的IP地址不好记忆，所以人们将32位的IP地址分为四个八位位组，每一个八位位组之间用点隔开，并将每一个二进制的八位位组转化为十进制数，从而方便人们记忆，我们称之为点分十进制。
如图2-7所示。
图2-7IP地址的点分十进制表示
2.5.2IP地址的分类
根据不同的网络规模和网络用途，人们将IP（IPV4）地址分为了A、B、C、Ｄ、E五类。
1）A类IP地址
A类IP地址的第一个八位位组为网络位，后三个八位位组为主机位，最高位的值必须为0，我们称其为前导位。
A类IP地址的网络号可以容纳的主机数为：
224-2=16777214（因为网络号和广播地址不能被用于地址，所以减2）。
A类IP地址的网络号可以包含的最大网络数为：
2（8-1）-2=27-2=126，因为全0和以127开头的A类网络号不能用，故需要减2，即A类地址的范围是从1（00000001）~126（01111111），共有126个。
2）B类IP地址
B类IP地址的前两个八位位组为网络位，后两个八位位组为主机位，最高两位的值必须为10，我
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