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2021-08-17

IP地址

 
1.IP地址类别和编码
        Internet上的每个点都有一个唯一指定的IP地址，任何两台机器的IP地址都不允许相同。IP地址长度为32比特，分为两个部分：网络号和主机号。如果某个机器和多个网络相连，则在每个网络中都分配有一个地址。一个路由器至少有两个IP地址。
       IP地址格式如图2.23所示。
ip地址格式    
图2.23 IP地址格式
      由图可知，IP地址可分为4类：
  • A类地址：其标识为最高比特为0。网络号占7位，主机号占24位。因此A类地址可定义126个网络(0和127作它用），每个网络可包含约16兆(224）个主机。A类地址对应的是大型网络。
  • B类地址，其标识为最高2个比特为10。网络号占14位，主机号占16位。因此B类地址可定义16382个网络，每个网络可包含约64K(216 ）个主机。B类地址对应的是中型网络。
  • C类地址：其标识为最高3个比特为110。网络号占21位，主机号占8位。因此C类地址可定义约200万(221）个网络，每个网络可包含254个主机(0和255作它用）。C类地址对应小型网络，如LAN。
  • 多播地址：其标识为最高4个比特为1110。其余28比特规定一个群组，它不再分为网络号和组号。多播成员的加入、动态更新等需执行专门的Internet群组管理协议(IGMP-Internet Group Mangement Protocol)，网络中需设置多播路由器。多播地址也称D类地址。
        IP地址中的网络号由网络信息中心(NIC)统一分配，路由器选路只需用到地址中的网络号部分。
        为了便于标记，IP地址采用点分十进制法(dotted decimal nota­tion)表示，即将32位地址分成4段标记，每段为1个字节，值范围为0~255，每段标记用小数点分隔。如，用16进制表示的IP地址C0290614写成点分形式即为192.41.6.20。最低1P地址为0.0.0.0,最高IP地址为225.225.225.225。
        另规定有一些特殊意义的地址：
  • 网络号全零：表示为“本网络＂。当某台主机想在网上通信，但却不知道自己网络的地址时，它可用全零网络号填入。本网用户接收后，返回信息时在目的地址中将给出本网的网络号，这样原发送主机就知道本网的网络号了。但是发送主机必须知道本网是哪一类网络，才能确定应填入多少个零。
  • 网络号和主机号全为零：表示“本主机”。可在主机自举时使用，该主机自举后暂时还不使用。在Internet中把“0”都解释为“本”。
  • 主机号全1：表示在网络号指定的网络中进行广播。在LAN中，广播属于正常传输，在其它网络中广播需由网络软件支持。该地址形式主要供用户向远端LAN发送广播消息。
  • 网络号和主机号全为1：表示在本地网络中广播，主要用于主机还不知道本地网络号的情况。
  • 127.XX.YY．ZZ：形式上与A类地址相同，实际上是指示环回测试的预留地址，用于测试TCP/IP及本机进程间通信。任何程序用此地址作为目的IP地址时，计算机上的协议软件立即将数据报返回，并不将其送入网中。路由器也不处理此类地址。
       由于上述特殊地址的存在，一般地址的网络号和主机号都不采用全零和全1码。
2.子网编址(Subnetaddressing)
        这是80年代初提出的一项1P地址复用技术。由于在TCP/IP推出后的10年中，出乎设计者的意料出现了许多PC机的小型网络，这些网络都要申请网络号，一则会使路由器的负担加重，导致网络速度下降；二则地址空间要不够用，特别是B类网络的网络号将缺乏。为此，提出如何减少网络数的问题。子网编址的基本思想是在网络和主机之间再增加一个层次：子网，也就是使一个IP网络号能为多个物理网络所共享。此方法主要适用于B类网络。
       它将主机号部分进一步划分为子网号和主机号两个子段，如图2.24所示。对于外部来说，仍然是一个B类网，无需向NIC申请新号，网络路由器数据库也不需要更改。对于单位内部来说，则有若干个子网，子网的大小可以根据需要确定，每增加一个LAN，即可作为一个子网加入，管理方便，规划也很灵活。
B类网子网编址示例
图2.24    B类网子网编址示例
       当然，为了支持子网选路，内部要增设路由器，接在每个子网上。设图2.24中，B类网络号为130.50，子网号占6比特，共可设62个LAN子网，每个LAN可接1022个主机。假定目前已有4个子网，每个子网的起始IP地址分别为130.50.4.1、130.50.8.1、130.50.12.1和130.50.16.1，则路由器配置如图2.25所示。从Internet的其余部分传往B类网络号为130.50的数据报均经过路由器Gl进人，然后Gl再根据子网号将其送至相应子网路由器，后者再根据主机号译成MAC地址后在子网内广播发送。需注意每个路由器配备有两个IP地址，其中GI是原有的外部路由器。
子网选路示例
图2.25子网选路示例
       从选路角度看，子网选路只是比一般选路多一个层次。一般选路时，可以认为路由器中有两张表。第1张表的表项内容为｛网络号，输出端口｝，根据匹配的网络号，确定通往下一跳路由器的输出端口。若未找到匹配网络号，则将数据报发往缺省路由器。若为本网络的网络号，则查第2张表，其表项内容为｛主机号，本地地址｝，根据匹配的主机号，确定MAC地址或通往该主机的输出端口。
      子网选路时，路由器中应有3张表。第1张表和以前相同，第2张表的表项内容为｛子网号，输出端口｝，根据匹配的子网号确定通往该子网路由器的输出端口，第3张表的表项内容为｛主机号，本地地
址}。
       考虑到子网号的长度是可变的，因此可用一个子网掩码和原IP地址的逻辑与运算来提取子网号。例如，在图2.24示例中，子网掩码为255.255.252.0。假设在图2.25中，子网4的一个主机发出一数据报，其目的IP地址为130.50.15.6 G4将其与子网掩码相与后得地址130.50.12.0，为子网3的地址，于是查第2张表后，将其转发全G3。
3.超网编址
        到了90年代后，由于WWW等应用的推出，Internet用户高速增长，即使采用子网编址仍然不能解决问题。其原因是单位新建网络时，尽管网络规模不大，也不愿意申请C类地址，因为其容量太小，而宁愿申请B类地址，它还可以通过子网编址设置内部网络。这样就造成B类地址匮乏而C类地址大星富余的情况，出现了所谓的“地址空间枯竭"(ROADS-RunningOutofADdressSpace)问题。
        为此启动了IPV6的研究。但是新版本的IP协议和现行版本并不兼容，全面替换将会给网络运行带来极大的影响，因此人们又提出了另一种地址复用技术----超网编址。它的思路和子网编址相反，是将若干个相邻的C类地址合并成一个大的网络地址，合并后的地址块大小没有限制，只要求是2的整数幂即可。
       和子网编址一样，它也采用掩码来提取超网网络号部分，其后操作和一般选路基本相同。这种选路技术实际上可用千任何类型地 址，并不局限于新的C类地址，因此被称为无类别域间选路(CIDR­  Class lessInter-Domain Routing)。
       现举例说明上述掩码匹配搜索过程。设，大学A需要2000个地址，于是被分配2048个地址(8个C类地址），范围为202.24.0.0至202.24.7.255；其掩码为255.255.248.0；大学B被分配1024个地址，其范围为202.24.8.0  至202.24.11.225，掩码为255.255.252.0；大学C亦分配1024个地址，其范围为202.24.12.0至202.24.15.225，掩码亦为255.255.252.0;大学D被分配4096个地址，其范围为202.24.16.0至202.24.31.225，掩码为255.255.240.0。
       于是更新后的路由表将有如下4个表项，每个表项包含一个基地址和一个掩码（用二进制表示）：
                                                         地 址                                         掩 码
（A） 11001010      00011000          00000000        00000000       11111111          11111111         11111000        00000000
（B） 11001010      00011000          00001000        00000000       11111111          11111111         11111100        00000000
（C） 11001010      00011000          00001100        00000000       11111111          11111111         11111100        00000000
（D） 11001010      00011000          00010000        00000000       11111111          11111111         11110000       00000000
 
若收到某个数据报，其目的地址为202.24.25.4，其二进制形式为：
                      11001010     00011000     00011001      00000100
将其和A大学的掩码相与后得：
                      11001010      00011000     00011000     00000000
和A大学的基地址不匹配。同样和B、C大学也不匹配。最后和D大学的掩码相与，得：
                      11001010     00011000      00010000     00000000
和D大学的基地址匹配，所以该数据报应转送往D大学的路由器。
需要注意的是，如果B.C、D大学的地址范围重新分配为：
      D：202.24.8.0-202.24.23.225
      B：202.24.24.0-202.24.27.225
      C：202.24.28.0-202.24.31.225
则，相应表项更改为：
                                                        地 址                                         掩 码
（A） 11001010      00011000          00000000        00000000       11111111          11111111         11111000        00000000
（B） 11001010      00011000          00000000        00000000       11111111          11111111         11100000        00000000
（C） 11001010      00011000          00001100        00000000       11111111          11111111         11111100         00000000
（D） 11001010      00011000          00011100        00000000       11111111          11111111         11111100         00000000
 
       此时收到目的地址为202.24.25.4的数据报，将其和D大学及B大学的掩码相与后，和这两所大学的基地址均匹配，但是B大学掩码包含的“1“比特较多，据此判定该数据报应转发至B大学的路由器。因此，CIDR应采用“最长匹配＂的原则来选定路由器表项，有别千传统选路的“精确匹配”。
        提出CIDR后，IP地址匮乏问题又得到缓解，至少在2005年以前尤需启用IP新版本。

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