CCNA1 6 网络编址IPv4.docx
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CCNA16网络编址IPv4
CCNAExploration-网络基础知识
6网络编址-IPv4
6.0本章简介
6.0.1本章简介
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编址是网络层协议的关键功能，可使位于同一网络或不同网络中的主机之间实现数据通信。
Internet协议第四版（IPv4）为传送数据的数据包提供分层编址。
设计、实施和管理有效的IPv4编址规划能确保网络高效率地有效运行。
本章将详细分析IPv4地址的结构及其在建立和测试IP网络与子网中的应用。
在本章中，您将学会：
∙解释IP地址的结构并掌握换算8位二进制和十进制数字的能力。
∙按照类型对给定的IPv4地址分类并描述其在网络中的使用方式。
∙说明ISP如何将地址分配给网络以及管理员如何在网络内分配地址。
∙确定主机地址的网络部分并说明子网掩码在划分网络中的作用。
∙根据给定的IPv4地址信息和设计标准，计算相应的地址组成部分。
∙在主机上使用常用的测试实用程序来验证和测试网络连通性以及IP协议栈的运行状态。
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6.1IPv4地址
6.1.1剖析IPv4地址
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网络中的每台设备都必须具有唯一定义。
在网络层，需要使用通信两端系统的源地址和目的地址来标识该通信的数据包。
采用IPv4，就意味着每个数据包的第3层报头中都有一个32位源地址和一个32位目的地址。
数据网络中以二进制形式使用这些地址。
设备内部则运用数字逻辑解释这些地址。
但是在以人为本的网络中，我们却难以解读32位字符串，要记住它更是难上加难。
因此，我们使用点分十进制格式来表示IPv4地址。
点分十进制
以点分十进制表示IPv4地址的二进制形式时，用点号分隔二进制形式的每个字节（称为一个二进制八位数）。
之所以称为二进制八位数，是因为每个十进制数字代表一个字节，即8个位。
例如，地址
10101100000100000000010000010100
的点分十进制表示为：
172.16.4.20
请注意，设备使用的是二进制逻辑。
采用点分十进制是为了方便人们使用和记忆地址。
网络部分和主机部分
每个IPv4地址都会用某个高阶比特位部分来代表网络地址。
在第3层，我们将网络定义为网络地址部分的比特模式相同的一组主机。
尽管全部32个比特位定义的都是IPv4主机地址，但我们将其中数量不等的比特位称为该地址的主机部分。
此主机部分中使用的比特位数决定了网络中可以容纳的主机数量。
单击图中的标签可以查看地址的不同部分。
例如，倘若某个特定网络至少需要容纳200台主机，则需要在主机部分使用足够的比特位才能代表至少200个不同的比特模式。
要为200台主机分配唯一地址，需要使用最后一个二进制八位数的全部八个比特位。
使用8个位共计可得到256个不同的比特模式。
这表示前三个二进制八位数的所有比特位将代表网络部分。
注：
本章稍后将介绍如何计算主机数量以及如何确定32个比特位中代表网络的部分。
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6.1.2了解数字-二进制到十进制的转换
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要了解设备在网络中的运行，需要以设备使用的方式（即二进制记法）来查看地址和其它数据。
这意味着我们需要具备将二进制转换为十进制的一些技能。
以二进制表示的数据对于以人为本的网络来说可能代表很多不同形式的数据。
在本文的讨论中，我们所指的二进制与IPv4编址有关。
也就是说，我们将每个字节（二进制八位数）视为从0到255范围内的一个十进制数字。
位置记数法
要学习将二进制转换为十进制，需要先了解一个数制系统的数学基础知识，该数制系统称为位置记数法。
位置记数法即数字根据其所占用的位置来表示不同的值。
具体来说，数字代表的值等于该数字乘以它所在位的基数（即基）的幂次所得的积。
我们可以举例说明此数制系统的原理。
以十进制数字245为例，2表示的值是2*10^2（2乘以10的2次幂）。
2位于我们通常称为“百位”的位置。
位置记数法称此位置为基数的2次幂位置，因为基数（即基）是10而幂是2。
在基数为10的数制系统中使用位置记数法时，245表示：
245=（2*10^2）+（4*10^1）+（5*10^0）
或
245=（2*100）+（4*10）+（5*1）
二进制数制系统
在二进制数制系统中，基是2。
因此，每个位置代表2的幂，幂次逐位增加。
在8位二进制数中，各个位置分别代表以下数量：
2^72^62^52^42^32^22^12^0
1286432168421
基数为2的数制系统只有两个数字：
0和1。
如图所示，当我们将一个字节转换为十进制数字时，如果某个位置的数字为1，则计入该位置所代表的数量，而如果该数字为0，则不计入其数量。
11111111
1286432168421
各个位置上的数字1都表示要将该位置的值计入总数。
以下是一个二进制八位数的每个位置都为1时的累加算法。
总数为255。
128+64+32+16+8+4+2+1=255
各个位置上的数字0都表示该位置的值不计入总数。
每个位置均为0时得出的总数为0。
00000000
1286432168421
0+0+0+0+0+0+0+0=0
请注意，图中一和零的组合不同，其得出的十进制值也不同。
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我们看右图来了解将二进制地址转换为十进制地址的步骤。
在示例中，二进制数字
10101100000100000000010000010100
转换为
172.16.4.20
换算时请牢记以下步骤：
∙将32个比特位划分为4个二进制八位数。
∙将每个二进制八位数转换为十进制数。
∙在每个十进制数字之间添加“点”号。
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6.1.3练习二进制到十进制的转换
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您可以根据需要使用图中的作业来练习8位二进制数的转换，练习次数不受限制。
我们建议您反复使用此工具，直到能够正确无误地完成转换。
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6.1.4了解数字-十进制到二进制的转换
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我们不仅要能够将二进制转换为十进制，而且还要能够将十进制转换为二进制。
我们经常要分析以点分十进制记法表示的地址的一个二进制八位数。
网络比特位和主机比特位分用一个二进制八位数就属于这种情况。
例如，若地址为172.16.4.20的主机使用28个比特位来代表网络地址，我们就需要分析最后一个二进制八位数的二进制数字才会发现此主机位于网络172.16.4.16中。
从主机地址提取网络地址的过程将在稍后讲解。
地址的值从0到255
由于表示地址的十进制数值仅限于一个二进制八位数，因此我们只需要研究将8位二进制数字转换成0到255的十进制数值的过程。
开始转换过程时，首先要确定十进制数字是否等于或大于最高位所代表的最大十进制数值。
在最高的位置上，要确定其值是否等于或大于128。
如果该值小于128，则在128位的位置上置入0，然后转到64位的位置。
如果128位位置上的值大于或等于128，则在128位置上置入1并从要转换的数字中减去128。
然后，将此运算的余数与下一个较小值（即64）相比较。
接下来，对所有剩余位的位置重复此过程。
请参阅右图示例中的转换步骤。
图中例举了如何将172转换为10101100。
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按照转换步骤一步一步了解如何将IP地址转换为二进制数字。
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转换总结
右图总结了将172.16.4.20从点分十进制记法转换到二进制记法的整个过程。
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6.1.5练习十进制到二进制的转换
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您可以根据需要使用图中的作业来练习十进制数到8位二进制数的转换，练习次数不受限制。
我们建议您反复使用此工具，直到能够正确无误地完成转换。
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6.2不同用途的地址
6.2.1IPv4网络中的地址类型
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每个IPv4网络的地址范围内都有三种类型的地址：
网络地址-指代网络的地址
广播地址-用于向网络中的所有主机发送数据的特殊地址
主机地址-分配给网络中终端设备的地址
网络地址
网络地址是指代网络的标准方式。
例如，我们可以称图中所示的网络为“10.0.0.0网络”。
比起“第一个网络”之类的词汇来称呼该网络，这种方式既方便又有描述性。
10.0.0.0网络中所有主机的网络位相同。
在网络的IPv4地址范围内，最小地址保留为网络地址。
此地址的主机部分的每个主机位均为0。
将鼠标指针置于图中的“网络地址”标签之上查看详细信息。
广播地址
IPv4广播地址是每个网络都有的一个特殊地址，用于与该网络中的所有主机通信。
要向某个网络中的所有主机发送数据，主机只需以该网络广播地址为目的地址发送一个数据包即可。
广播地址使用该网络范围内的最大地址。
即主机部分的各比特位全部为1的地址。
在有24个网络位的网络10.0.0.0中，广播地址应为10.0.0.255。
此地址也称为定向广播。
将鼠标指针置于图中的“广播地址”标签之上查看详细信息。
主机地址
如前所述，每台终端设备都需要唯一的地址才能向该主机传送数据包。
在IPv4地址中，我们将介于网络地址和广播地址之间的值分配给该网络中的设备。
将鼠标指针置于图中的“主机地址”标签之上查看详细信息。
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网络前缀
重要问题在于：
如何才能知道有多少位代表网络部分，多少位代表主机部分？
表示IPv4网络地址时，我们在网络地址后添加一个前缀长度。
前缀长度指示地址的网络部分的比特位数。
例如在172.16.4.0/24中，/24就是前缀长度，它告诉我们前24位是网络地址。
这样，剩下的8位，即最后一个二进制八位数就是主机部分。
在本章后面部分，我们将详细了解指定网络设备IPv4地址的网络部分的另一个实体：
子网掩码。
子网掩码与地址一样有32个位，分别用1和0来表示地址的哪些位是网络位，哪些位是主机位。
分配给网络的前缀并不一定都是/24，具体取决于网络中的主机数量。
使用不同的前缀数字会改变每个网络的主机范围和广播地址。
将鼠标指针置于图中的地址之上，查看对地址使用不同前缀的结果。
请注意，前缀长度不同时，网络地址可以保持不变，但主机范围和广播地址会发生变化。
从本图示中还可看出，网络中可以分配到地址的主机数量也会发生变化。
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6.2.2计算网络地址、主机地址和广播地址
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此时，您可能想知道：
如何计算这些地址？
要了解计算过程，需要查看这些地址的二进制形式。
在网络划分示例中，需要查看前缀划分地址的网络部分和主机部分的那个二进制八位数。
它在此处的所有示例中都是最后一个二进制八位数。
尽管这种情况很常见，但前缀也可以划分任何一个二进制八位数。
要着手了解确定地址分配的这一过程，我们可以将一些示例分解为二进制位。
请参阅图中172.16.20.0/25网络的地址分配示例。
在第一个框中，我们看到的是网络地址的表示。
其前缀为25位，因此最后7位是主机位。
为了表示该网络地址，这些主机位全部为'0'。
这样，该地址的最后一个二进制八位数就是0，因此网络地址就是172.16.20.0/25。
在第二个框中，我们看到的是最小主机地址的计算。
最小主机地址始终比网络地址大1。
在本例中，七个主机位的最后一位变成了'1'。
由于主机地址的最低位设置为1，因此最小主机地址就是172.16.20.1。
第三个框显示了该网络广播地址的计算。
这样，此网络中使用的全部七个主机位均为'1'。
通过计算得出最后一个二进制八位数为127。
这说明广播地址是172.16.20.127。
第四个框显示了最大主机地址的计算。
网络的最大主机地址始终比广播地址小1。
这表示最低主机位为'0'而所有其它主机位均为'1'。
正如图中所示，如此计算后得到此网络的最大主机地址172.16.20.126。
尽管计算本示例时展开了所有二进制八位数，但实际只需要查看划分给主机的二进制八位数的内容。
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Flash实践练习
图中的练习可供您计算给定网络的网络地址、主机地址和广播地址。
练习次数不限，请根据需要进行。
我们建议您反复使用此工具，直到能够正确无误地完成转换。
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6.2.3通信类型-单播、广播、组播
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在IPv4网络中，主机可采用以下三种方式之一来通信：
单播-从一台主机向另一台主机发送数据包的过程
广播-从一台主机向该网络中的所有主机发送数据包的过程
组播-从一台主机向选定的一组主机发送数据包的过程
这三种通信类型在数据网络中的用途各不相同，不过在这三种类型中，源主机的IPv4地址都会被作为源地址放入数据包报头中。
单播通信
在客户端/服务器网络和点对点网络中，主机与主机之间的常规通信都使用单播通信。
单播数据包使用目的设备的主机地址作为目的地址并且可以通过网际网络路由。
而广播和组播则使用特殊的地址作为目的地址。
由于要使用这些特殊地址，因此广播通常仅限于本地网络。
组播通信的范围可以限于本地网络，也可以通过网际网络路由。
播放动画，观看单播传输的示例。
在IPv4网络中，用于终端设备的单播地址称为主机地址。
单播通信使用分配给两台终端设备的主机地址作为源IPv4地址和目的IPv4地址。
在封装过程中，源主机在单播数据包报头中添加自己的IPv4地址作为源主机地址，添加目的主机的IPv4地址作为目的地址。
使用单播数据包的通信可以用相同的地址通过网际网络转发。
注：
在本课程中，除非另行说明，否则设备之间的所有通信均指单播通信。
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广播传输
由于广播通信用于向网络中的所有主机发送数据包，因此数据包使用的是特殊的广播地址。
当主机收到以广播地址为目的地址的数据包时，主机处理该数据包的方式与处理单播数据包的方式相同。
广播传输用于获取地址未知的特定服务/设备的位置，也可在主机需要向网络中所有主机提供信息时使用。
广播传输的典型应用场合包括：
∙将上层地址映射到下层地址
∙请求地址
∙通过路由协议交换路由信息
当某台主机需要信息时，该主机会向广播地址发送查询请求。
位于该网络中的所有主机都会接收并处理此查询。
如果主机有所请求的信息，这些主机将做出响应，通常会使用单播。
同样，当主机需要向网络中的主机发送信息时，也会创建和发送有该信息的广播数据包。
广播和单播的不同之处在于，单播数据包可以通过网际网络路由，而广播数据包通常仅限于本地网络。
此限制取决于该网络边界路由器的配置以及广播的类型。
广播有两类：
定向广播和有限广播。
定向广播
定向广播是将数据包发送给特定网络中的所有主机。
此类广播适用于向非本地网络中的所有主机发送广播报文。
例如，网络外部的主机要与172.16.4.0/24网络中的主机通信，数据包的目的地址应为172.16.4.255。
过程如图所示。
尽管路由器在默认情况下并不转发定向广播，但可对其进行此配置。
有限广播
有限广播只限于将数据包发送给本地网络中的主机。
这些数据包使用目的IPv4地址255.255.255.255。
路由器不转发此广播报文。
发往有限广播地址的数据包只会出现在本地网络中。
因此，IPv4网络也称为广播域，路由器则是广播域的边界。
例如，172.16.4.0/24网络中的主机将使用目的地址为255.255.255.255的数据包向所在网络中的所有主机广播。
播放动画，观看广播传输的示例。
正如前面学到的，作为广播的数据包不仅会占用网络中的资源，而且会迫使该网络中的每台接收主机处理该数据包。
因此，广播通信应加以限制，以免对网络或设备的性能造成负面影响。
因为路由器可分隔广播域，所以可以将广播流量过大的网络划分成多个子网来提高网络性能。
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组播传输
组播传输旨在节省IPv4网络的带宽。
主机通过它可以向选定的一组主机发送一个数据包，从而减少了流量。
如果使用单播通信与多台目的主机通信，源主机需要向每台主机逐个发送数据包。
但如果使用组播传输，源主机发送一个数据包即可与成千上万台目的主机通信。
组播传输包括：
∙视频和音频分发
∙按路由协议交换路由信息
∙软件分发
∙新闻供稿
组播客户端
要接收特定组播数据的主机称为组播客户端。
组播客户端使用客户端程序启动的服务来加入组播组。
每个组播组由一个IPv4组播目的地址代表。
当IPv4主机加入组播组后，该主机既要处理目的地址为此组播地址的数据包，也要处理发往其唯一单播地址的数据包。
我们在下文中将会看到IPv4保留从224.0.0.0到239.255.255.255的特定地址块，供组播组编址之用。
右侧的动画演示了客户端接受组播数据包的过程。
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本练习将使用PacketTracer模拟单播、广播和组播，让您对它们有个直观的认识。
广播：
http:
//www.ietf.org/rfc/rfc0919.txt?
number=919
组播：
单击PacketTracer图标开始PacketTracer练习。
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6.2.4保留的IPv4地址范围
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以点分十进制格式表示，IPv4地址范围从0.0.0.0到255.255.255.255。
正如我们已经了解的，这些地址不能全部用作单播通信的主机地址。
实验地址
为特殊用途保留的一个主要地址块是范围从240.0.0.0到255.255.255.254的IPv4实验地址。
目前，这些地址列为留给以后使用（RFC3330）。
这表示它们可以转换为可用地址。
虽然目前还不能在IPv4网络中使用这些地址，但它们可以用于研究或实验。
组播地址
如前所示，为特殊用途保留的另一个主要地址块是范围从224.0.0.0到239.255.255.255的IPv4组播地址。
此外，组播地址范围还细分为不同的地址类型：
保留的链路本地地址和全局范围地址。
另一种组播地址是管理范围地址，亦称有限范围地址。
IPv4组播地址224.0.0.0到224.0.0.255是保留的链路本地地址。
这些地址应该用于本地网络中的组播组。
传输发送到这些目的地址的数据包时，生存时间（TTL）值始终为1。
因此，连接到本地网络的路由器绝对不会转发此类数据包。
保留的链路本地地址通常用于以组播传输来交换路由信息的路由协议中。
全局范围地址从224.0.1.0到238.255.255.255，可用于通过Internet发送组播数据。
例如，224.0.1.1保留供网络时间协议（NTP）同步网络设备的计时时钟。
主机地址
排除为实验地址和组播地址保留的范围后，剩下的地址范围从0.0.0.0到223.255.255.255，可供IPv4主机使用。
不过，已经为特殊用途保留的许多地址也在此范围内。
虽然我们前面已经介绍过部分保留地址，但主要的保留地址将在下一节讨论。
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6.2.5公有地址和私有地址
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虽然大多数IPv4主机地址是公有地址，指定用于可以通过Internet访问的网络中，但也有一些地址块用于需要限制或禁止Internet访问的网络中。
此类地址称为私有地址。
私有地址
私有地址块是：
∙10.0.0.0到10.255.255.255（10.0.0.0/8）
∙172.16.0.0到172.31.255.255（172.16.0.0/12）
∙192.168.0.0到192.168.255.255（192.168.0.0/16）
私有空间地址块保留供私有网络中使用。
这些地址即便在网络外部不是唯一地址，也可在内部使用。
不需要自由访问Internet的主机可以无限制使用私有地址。
不过，内部网络仍然必须设计网络地址方案，确保私有网络中的主机使用其所在网络环境中唯一的IP地址。
位于不同网络中的许多主机可以使用同一个私有空间地址。
使用此类地址作为源地址或目的地址的数据包不得出现在公有Internet上。
位于这些私有网络边界的路由器或防火墙设备必须阻止或转换此类地址。
即使此类数据包应该转发到Internet，路由器也没有路由可将其转发到相应的私有网络。
网络地址转换（NAT）
借助将私有地址转换为公有地址的服务，在内部采用私有编址方案的网络中的主机就可以访问Internet上的资源。
此类服务称为网络地址转换（NAT），可以在位于私有网络边缘的设备上实施。
NAT使网络中的主机可以“借用”公有地址与外部网络通信。
尽管NAT存在一些限制和性能问题，但大多数应用程序的客户端仍可通过Internet访问服务而不会遇到显著问题。
注：
NAT将在随后的课程中详细介绍。
公有地址
IPv4单播主机范围内的绝大多数地址都是公有地址。
此类地址供人们可以从Internet公开访问的主机使用。
即使在这些地址块中，也有许多地址指定用于其它特殊用途。
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6.2.6特殊的IPv4地址
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有一些地址因为各种原因而不能分配给主机。
还有些特殊地址可以分配给主机，但这些主机在网络内的交互方式却受到限制。
网络地址和广播地址
正如前面解释过的，每个网络中的第一个和最后一个地址都不能分配给主机。
它们分别是网络地址和广播地址。
默认路由
前面还介绍过，我们以0.0.0.0表示IPv4默认路由。
在没有更具体的路由可用时，将默认路由作为“无限”路由使用。
此地址的使用还保留0.0.0.0-0.255
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