CCNA1 6 网络编址IPv4.docx

1、CCNA1 6 网络编址 IPv4CCNA Exploration - 网络基础知识6 网络编址 - IPv46.0 本章简介6.0.1 本章简介第 $PAGEVAR 页 1: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

2、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。显示视觉媒体 6.1 IPv4 地址6.1.1 剖析 IPv4 地址第 $PAGEVAR 页 1: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

3、 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。

4、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

5、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。显示视觉媒体 6.1.2 了解数字 - 二进制到十进制的转换第 $PAGEVAR 页 1: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

6、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*102（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 * 102) + (4 * 101) + (5 * 100) 或245 = (2 *

7、 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：27 26 25 24 2322 21 20128 64 32 16 8 4 2 1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。1 1 1 1 1 1 1 1128 64 32 16 8 4 2 1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

8、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。0 0 0 0 0 0 0 0128 64 32 16 8 4 2 10 + 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。显示视觉媒体 第 $PAGEVAR 页 2: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

9、.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。显示视觉媒体 6.1.3 练习二进制到十进制的转换第 $PAGEVAR 页 1: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。 显示视觉媒体 6.1.4 了解数字 - 十进制到二进制的转换第 $PAGEVAR 页 1: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

10、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

11、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。显示视觉媒体 第 $PAGEVAR 页 2: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。显示视觉媒体 第 $PAGEVAR 页 3: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。显示视觉媒体 6.1.5 练习十进制到二进制

12、的转换第 $PAGEVAR 页 1: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。显示视觉媒体 6.2 不同用途的地址6.2.1 IPv4 网络中的地址类型第 $PAGEVAR 页 1: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

13、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

14、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。显示视觉媒体 第 $PAGEVAR 页 2: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

15、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。显示视觉媒体 6.2.2 计算网络地址、主机地址和广播地址第 $PAGEVAR 页

16、 1: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 17

17、2.16.20.0 /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。

18、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。显示视觉媒体 第 $PAGEVAR 页 2: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。 显示视觉媒体 6.2.3 通信类型 - 单播、广播、组播第 $PAGEVAR 页 1: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

19、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

20、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。 显示视觉媒体 第 $PAGEVAR 页 2: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

21、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

22、.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

23、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。显示视觉媒体 第 $PAGEVAR 页 3: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

24、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。显示视觉媒体 第 $PAGEVAR 页 4:本练习将使用 Packet Tracer 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/rf

25、c/rfc0919.txt?number=919组播：单击 Packet Tracer 图标开始 Packet Tracer 练习。显示视觉媒体 6.2.4 保留的 IPv4 地址范围第 $PAGEVAR 页 1: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 (RFC 3330)。这表示它们可以转换为可用地址。虽然目前还不能在

26、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

27、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。显示视觉媒体 6.2.5 公有地址和私有地址第 $PAGEVAR 页 1:虽然大多数 IPv4 主机地址是公有地

28、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

29、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

30、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。显示视觉媒体 第 $PAGEVAR 页 2:显示视觉媒体 6.2.6 特殊的 IPv4 地址第 $PAGEVAR 页 1: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