IP寻址与规划

一、IP寻址和子网划分

IP地址的主机部分可被分为三种地址：网络地址、主机地址和定向广播地址。

网络地址是网络号中的第一个地址。它用来将网络内的其他所有网段唯一标识为一个网段或广播域。定向广播地址是网络号中的最后一个地址，用来表示此网段上的所有主机。定向广播地址和本地广播地址的主要区别，在于本地广播地址不能通过路由器进行传播，只能在本网段内传播，而定向广播地址则可以跨越路由器进行传播。网络地址和定向广播地址之间的所有地址都称为网段的主机地址，主机地址可以分给网段上的设备使用，比如PC、路由器、服务器和智能终端设备等。

1．B类网络地址举例

例如，一个B类的IP地址为172.16.0.0，其网络部分为前两个字节，即为172.16，后两个字节为其主机部分，当后两个字节都为0时，即172.16.0.0，表示网段172.16.0.0的第一个地址，该地址称为网络地址；当后两个字节都为1时，即172.16.255.255，则表示172.16.0.0的最后一个地址，该地址称为网络的定向广播地址；在网络地址172.16.0.0和定向广播地址172.16.255.255之间的所有地址就是网络的主机地址。如表3-1所示。

表3-1 B类网络的地址范围

网络号	主机地址	定向广播地址
172.16.0.0	172.16.0.1~172.16.255.254	172.16.255.255

从表3-1中可以看出，在同一网络号内，主机地址是网络号加1到定向广播地址减1的地址空间。对于任意给定的网络号，其中的两个地址是不能分配给网络设备使用的，一个是网络中的第一地址，另一个地址是网络的定向广播地址。假如已经知道了主机号的比特位数H，那么可以用公式2H-2计算出可用的主机地址。

2．A类网络地址举例

例如，一个A类网络的IP地址，网络号为前8bit，主机号为后24bit，采用公式2H-2，可得224-2=16777216-2=16777214个主机地址。对于一个B类网络的IP地址来说，若其主机地址的数量是65534，则由公式可得出：2H-2=216-2=65536-2=65534，而对于一个C类网络的IP地址来说，主机地址的数量是254，则由公式可得出: 2H -2=28 -2=256-2=254。

为了方便IP地址的寻址，每类IP地址都属于一个单独网段，如甲公司规模较小，其公司拥有200台计算机，申请了一个B类公网地址190.18.0.0，此网段的所有主机地址只能供本公司使用。乙公司是一家跨国公司，公司的所有网络设备达到上万台，申请了一个C类公网地址200.10.10.0，此网段的所有主机地址只能被乙公司使用，IP地址200.10.10.0可以分配的主机地址为254个，这个数量显然无法满足该公司的需求。而甲公司申请的IP地址190.18.0.0拥有216-2=65534个主机地址，造成65534-200=65334个主机地址的浪费。

3．子网掩码

在处理IP地址时，为了区分网络地址、主机地址和定向广播地址，引入了子网掩码。

因此，每个地址实际上由三部分组成：网络号、子网号和主机号。

子网划分是指允许在一个IP地址中，利用主机号的高位比特来创建更多的子网。在创建更多子网的过程中，每个子网中难免会有两个地址被浪费，但子网划分的优点之一是提供了更有效利用IP地址的方案。

与IP地址相对应，子网掩码的长度为32 bit，在二进制中，子网掩码中连续的比特1表示网络号，连续的比特0表示主机号。在子网掩码的0和1排序中有个规则，所有的比特1是必须连续的，所有的比特0也必须是连续的。这个规则不但在8位位组内适用，而且适用于所有4个8位位组内的所有比特。比如，虽然子网掩码11000000.11110000.11111111.11111111（192.240.255.255）是无效的，因为所有的比特1并不是连续的，但是子网掩码11111111.11110000.00000000.00000000（192.240.0.0）是有效的。

对于A类网络，默认的子网掩码是255.0.0.0，说明IP地址的第一个字节是网络号，后3个字节是主机号；同理，对于B类网络，默认的子网掩码是255.255.0.0，可以得到IP地址的前两个字节是网络号，后两个字节是主机号；对于C类网络，默认的子网掩码是255.255.255.0，IP地址的前三个字节是网络号，最后一个字节是主机号。

子网掩码应与IP地址配合使用，子网掩码本身没有任何意义。

二、IP地址应用实例

假设某IT公司拥有一个C类网络的IP地址192.168.1.0，该公司设有产品部、研发部、销售部、采购部、财务部和人力资源部6个部门。其研发部拥有26台网络设备，其他部门的网络设备数量均少于研发部。

具体的解决方法包括如下几个部分：

1.确定网络数和主机数

首先根据公司的需求，确定网络中最大网段上的网络设备数量，以及网络中能拥有最多的网段数。在确定网络设备数量时，需要考虑所有的网络设备，如路由器、服务器和交换机等IP地址的分配。同时，为了保证网络的可扩展性，应预留一些IP地址不进行分配。

该步骤主要使用如下3个公式：

公式1：2S≥所需的网络数量，S表示子网比特位数。

公式2：2H-2≥最大网段的主机数量，H代表主机比特位数。

公式3：S+H≤某一类别的地址拥有的主机比特总数。

该公司有6个部门，需要为每个部门分别划分一个子网。该公司拥有的C类网络地址的后8位为主机号，依据公式1，由2S=23=8≥6，可得需要占用主机号部分高3位来划分子网，其中S=3。其研发部拥有26台网络设备，依据公式2，由25-2=32-2=30≥26，其中H=5，这里需要考虑除去网络地址和定向广播地址。由于C类网络的主机号为8位，则子网划分的位数和主机的位数总和不能超过8位，依据公式3，S+H =3+5≤8，满足要求。

2.确定子网掩码

子网掩码包括网络号和子网号，而标准的A类、B类和C类地址的子网掩码的网络号部分分别为8位、16位和24位。依据该公司的部门数为6，子网掩码的网络号部分需要在标准子网掩码24位的基础上，增加占用的主机号高3位构成实际子网掩码。因此，该公司的子网掩码网络部分位数为24+3=27，由此可得实际子网掩码为：255.255.225.224。

3.确定网络地址

在二进制的网络地址中，前24位不变，为11000000.10101000.00000001，最后8位的高3位则依次增加。如表3-5所示。

4.确定网络的主机地址

主机地址位于网络地址和定向广播地址之间，该公司的地址规划如表3-6所示，其中网段192.1681.192和192.168.1.224未被分配，以备公司扩建或网络改造时使用。

表3-5网络地址的二进制和十进制表示

二进制网络地址	十进制网络地址
11000000.10101000.00000001.00000000	192.168.1.0
11000000.10101000.00000001.00100000	192.168.1.32
11000000.10101000.00000001.01000000	192.168.1.64
11000000.10101000.00000001.01100000	192.168.1.96
11000000.10101000.00000001.10000000	192.168.1.128
11000000.10101000.00000001.10100000	192.168.1.160
11000000.10101000.00000001.11000000	192.168.1.192
11000000.10101000.00000001.11100000	192.168.1.224

表3-6公司部门地址规划表

公司部门	网络号	主机地址	定向广播地址
研发部	192.168.1.0	192.168.1.1~192.168.1.30	192.168.1.31
产品部	192.168.1.32	192.168.1.33~192.168.1.62	192.168.1.63
销售部	192.168.1.64	192.168.1.65~192.168.1.94	192.168.1.95
采购部	192.168.1.96	192.168.1.97~192.168.1.126	192.168.1.127
财务部	192.168.1.128	192.168.1.129~192.168.1.158	192.168.1.159
人力资源部	192.168.1.160	192.168.1.161~192.168.1.190	192.168.1.191
预留	192.168.1.192	192.168.1.193~192.168.1.222	192.168.1.223
预留	192.168.1.224	192.168.1.225~192.168.1.254	192.168.1.255

三、可变长子网掩码

可变长度子网掩码（VLSM，Variable Length Subnetwork Mask）允许对A类、B类或C类IP地址使用不同的子网掩码，具有可以高效寻址和执行路由聚合，减少路由表大小两个优点。

VLSM可以提高IP地址的利用率。具体过程如下：

1.确定网络地址空间中最大的网段，即连接设备最多的网段。

2.得出适合最大网段的子网掩码。

3.记录该子网掩码对应的子网数量。

4.对于较小的网段，采用新子网掩码划分更小的子网。

5.记录步骤4.所划分的新子网。

6.对于更小的网段，回到步骤4.继续执行。

如图3-8所示，某公司设有3个子公司，每个子公司约有50台网络设备，总公司的路由器Router 0通过WAN链路与3个子公司的路由器Router1、Router2和Router3连接。整个网络拓扑中共有6 个不同的网段，路由器之间的连接占用3个网段，其余3个网段均分属于三个子公司。若IP地址为192.168.1.0，同时采用子网掩码255.255.255.192，虽满足了子公司的主机地址个数需求，但其仅可划分为4个子网，不能满足整个网络6个网段的划分需求。

如图3-9所示，运用VLSM技术，子公司的子网掩码为255.255.255.192，路由器间的链路采用新的子网掩码255.255.255.252，此时，整个公司的网络规划仅需一个C类IP地址。

图3-8分公司的IP地址分配

图3-9采用VLSM技术分配IP地址

四、路由聚合

路由聚合指将路由表中某些连续的路由，作为单个聚合路由进行通告的一种能力。

无分类域间路由选择（CIDR，Classless Inter Domian Routing）是可变长度子网掩码和路由聚合技术的扩展。CIDR的聚合力度更大，可将连续的A类、B类和C类网络进一步汇聚，通常称之为超网。

如图3-10所示，路由表中存在172.16.0.0/18、172.16.64.0/18、172.16.128.0/18和172.16.192.0/18共4条路由，通过路由聚合可将这些子网聚合为一个子网172.16.0.0/16，并向其他路由器通告。

4条路由聚合为1条路由，不仅可以减少通告更新所需的带宽，减小路由器处理更新所需的内存，而且提高了网络的稳定性。若不进行聚合，网段172.16.64.0反复地断开和连接，会使得整个网络中的所有路由器不断地更新路由信息，造成带宽的浪费。经过聚合后，聚合路由172.16.0.0不受影响，整个网络能够较为稳定地进行路由更新和数据传送。

图3-10 路由聚合

路由聚合有时也会存在对网络的表达精确度的问题，如果这里172.16. 128.0/18网络突然断掉，则聚合路由172.16.0.0/16不受影响，依然向外部通知原来的聚合路由。若某发送数据报的目的地址为172.16.128.0/18，其余路由器则认为目的地址均可达，直至传输到路由器时，才发现目的地址不可达，导致数据报的丢弃。

五、IPv6

1．IPv6的特点

IPv6是Internet Protocol Version 6的缩写，IPv6采用128位地址空间，并因其可提供超大的地址空间，较好地解决了地址短缺问题。

IPv6具有如下特点：

1）提供超大的地址空间。

2）报头简单和易封装。

3）使用更小的路由表。

4）提供更好的QoS保证。

5）自动地址配置。

6）具有更高的安全性。

7）与IPv4互相兼容。采用了两种技术，隧道技术和双协议栈技术。

2．IPv6的报文格式

IPv6报文首部的固定长度包含如图3-11所示的8个字段，具体如下。

图3-11 IPv6的报文首部格式

1）版本：4位，值为0110，表示IPv6报文。

2）通信类别：8位，表示IPv6数据流通信的类别或者优先级。

3）流标签：20位，IPv6中的新增功能。

4）载荷长度：16位，以字节为单位的IPv6载荷长度，也就是IPv6报文所有扩展首部和数据部分最多可以表示65535字节的负载长度。如果字节数超过负载，字段值将设置为0。

5）下一首部：8位，用来标识当前首部后下一个首部的类型，如扩展首部或传输层协议的首部。

6）跳数限制：8位，同IPv4中的TTL字段类似，定义IP数据报所能经过的最大跳数，每跳一次将此值减1，如果减到0，则将该报文丢弃。

7）源地址：128位，IP报文的发送方地址。

8）目的地址：128位，IP报文的接收方主机的地址。通常情况下，无论是单播地址、多播地址或者是任播地址，该地址都是最终地址，但当包含路由扩展首部时，某一个中间节点的地址可以作为目的地址。

大多数情况下，IPv6不包含扩展首部。但在传输过程中，发送方会根据路由器或者目的主机是否需要做某些特殊处理，添加一个或多个首部。同IPv4相比，IPv6具有良好的扩展性，不受固定字节的限制。在处理扩展首部和传输协议时，为了提高处理性能，IPv6的扩展首部是8字节长度的整数倍。

3．IPv6的地址

1）冒号十六进制表示

为了便于记忆，IPv6的地址格式规定每4个十六进制为一组，组与组之间用冒号（：）隔开。IPv6地址格式为XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX，X表示一个十六进制值。采用冒号十六进制表示法，其二进制地址空间为2128，可采用32个十六进制数进行表示。

2）零压缩

IPv6地址最前面的一串零可以省略，例如，0000:123A:BC00:0000:0000:1111:2222:0000可以简写为123A:BC00:0000:0000:1111:2222:0000。此外，为了进一步简化十六进制的书写，IPv6地址中的一段或连续多段0可以用双冒号（：：）代替。

例如，IPv6地址可更加简化为123A:BC00::1111:2222:0，但不能表示为123A:BC00::1111:2222::，因为双冒号（：：）只能在IPv6地址中出现一次。

3）前缀表示

IPv6地址的前缀表示类似于采用CIDR技术的IPv4地址表示，表示形式为：

IPv6地址/前缀长度

其中，前缀长度为十进制数。因为所有子网都有相应的64位前缀，所以64位前缀用来表示节点所在的单个子网。任何少于64位的前缀，可能是路由前缀，也可能是包含了部分IPv6地址空间的一个地址范围。例如：21DA:D3:0:2F3B::/64是一个子网前缀，其中21DA:0:D3::/48就是一个路由前缀。

4）前缀表示

IPv6地址的前缀表示类似于采用CIDR技术的IPv4地址表示，表示形式为：

IPv6地址/前缀长度

其中，前缀长度为十进制数。因为所有子网都有相应的64位前缀，所以64位前缀用来表示节点所在的单个子网。任何少于64位的前缀，可能是路由前缀，也可能是包含了部分IPv6地址空间的一个地址范围。例如：21DA:D3:0:2F3B::/64是一个子网前缀，其中21DA:0:D3::/48就是一个路由前缀。