IP地址和子网掩码的分析及整合

2022-12-17

在Internet通信过程中, 双方是通过IP地址来识别对方的, IP地址是Internet中主机的唯一身份标示, 通信活动都是通过I P地址来完成的。因此, Internet中的主机必须有一个确定的I P地址。

在实际应用中, 由于地域比较分散或便于单独管理, 需将一个网络分成若干个子网, 就需划分子网和指定子网掩码, 使网络中的主机有效的进行通信。

1 IP地址

I P地址是网络中计算机的I D, 采用3 2位分隔的十进制来表示, 习惯上把它称作“点分十进制”, 比如:2 0 2.1 1 5.1 3 5.2 2 5, 共占用3 2位, 用点号分成4组, 每台主机都有一个在Internet范围内唯一的IP地址对主机进行标识。

1.1 IP地址的结构

I P地址采用了2层结构, 即:网络号+网络中主机号, (如图1) 。

通过逐层寻址的方式, 即:先找网络号, 再找网络中的主机号, 就能准确的定位每一台主机。

1.2 IP地址的分类

IP地址分为A、B、C、D、E5类, 层次结构如图2所示。

在A类地址中, 网络号占1字节, 且第一位为0, 故网络号范围为0 0 0 0 0 0 0 1.00000000.00000000.00000000—01111111.00000000.00000000.00000000, 用“点分十进制”表示为:0.0.0.0—1 2 7.0.0.0, 但由于0和1 2 7号网络是特殊号不能被使用, 故Internet中能用的A类网络为:1.0.0.0—1 2 6.0.0.0;主机号占3字节, 因此, 理论上主机的数目应该为2的2 4次方台, 但作为主机号要除去全1和全0, 实际上可以用主机号为1—16777214。

在B类地址中, 网络号占2字节, 前2位为1 0。除去特殊号后网络号范围为:10000000.00000001.00000000.00000000—10111111.11111110.00000000.00000000, 用“点分十进制”表示为:1 2 8.1.0.0—1 9 1.2 5 4.0.0;主机号占2字节, 除去全1和全0特殊号, 实际可用主机号为1—6 5 5 3 4。

在C类地址中, 网络号占3字节, 前3位为1 1 0, 除去特殊号后C类网络的范围为:11000000.00000000.00000001.00000000—11011111.11111111.11111110.00000000, 用“点分十进制”表示为:1 9 2.0.1.0—2 2 3.255.254.0, 主机号占1字节, 除去全1和全0特殊号, 实际可用主机号为1—2 5 4。

在以上三类地址中, I P地址不连续, 因为有些是特殊号, 有特殊的意义或用途, 将在下面叙述。

D类地址以1 1 1 0开头, 主要用于多重广播组, 一般用户不采用;而E类地址主要是预留以备后用的实验性地址。

对于各类地址的网络号, 网络的数目, 网络中的主机号如表1所示。

通过表1, 判断网络分类的简便方法就看第一个字节的范围, 同时, 还可以快速的找到网络中的最大主机数等信息。

1.3 特殊IP地址

(1) 在以上几类地址中, 发现1 2 7号网络既非全0也非全1, 却不能使用, 因为1 2 7.0.0.0是回送地址, 主要用于本地机网络协议的测试或进程间的通信实验。

(2) 三个特殊的网络地址段, 10.0.0.0—10.255.255.255, 172.16.0.0—172.31.2 5 5.2 5 5, 1 9 2.1 6 8.0.0—192.168.255.2 5 5。这三个网络是由于I P地址资源紧缺, 为了在各部门内部构建Intranet环境, 方便测试而预留, 这三个网段只能用于内部网, 不能跨网段和路由, 即:在I n t e r n e t上无法直接找到属于这三个网段的I P地址, 那么如何让这三个网段的主机在I n t e r n e t上实现通信呢?需要采用代理 (p r o x y) 或N A T经过I P地址转换才能实现通信。

(3) 网络号不为空, 主机号全为1表示直接广播地址, 实现广播通信。

(4) 网络号和主机号全为1的地址是有限广播地址, 即:2 5 5.2 5 5.2 5 5.2 5 5。当需要网络广播但是不知道本网络号时则可以使用。

(5) 网络号和主机号全0的I P地址表示本机地址, 适用于主机想在本子网内通信但又不知道本子网号是, 则用全0地址。

以上5种情况的I P地址因有特殊用途而不能被一般的Internet用户使用。

2 子网的划分和子网掩码

2.1 划分子网的必要性和结构

子网划分技术将一个网络分成多个子网, 使单位位于不同地理位置的分支机构分配不同的子网, 而不必单独申请网络号, 独立管理子网, 子网间采用连接设备互连, 对外仍然是一个网络。

在网络号不变的情况下划分子网, 只能占用部分主机号作为子网号, 于是, 主机号地址分为2部分, 一部分表示子网号, 其余作为子网内主机号, 于是I P地址形成了三层结构:网络号+子网号+主机号。

究竟占用多少位才能满足子网的个数?子网号和主机号如何区分开呢?接下来分析这些问题。

2.1.1 子网划分的原则

子网划分的原则概括起来:以实际所需子网数兼顾子网内主机数的原则。即:当我们的网络分散成n个小的区域, 应分为n个网络。同时, 我们一定要兼顾子网能够容纳主机数目。当子网太少, 会使子网内主机地址多造成浪费;当子网数太多, 子网内主机地址少不够分配。

2.1.2 划分子网的作用

(1) 使网络划分成若干个子网, 便于管理, 避免I P地址浪费。

(2) 网络中使用混合技术。

(3) 间接保护子网用户不被非法访问。

(4) 防止网络风暴。

2.2 子网掩码的定义和形式

子网掩码间接标识子网的最大数目, 同时, 区分子网号和主机号, 是一个3 2位的编码, 它用连续的1表示网络号 (包括子网号) , 连续的0表示主机号。

没有划分子网的A、B、C类网络, 默认的子网掩码是:255.0.0.0;255.255.0.0;255.255.255.0。

2.2.1 子网掩码的作用

在Internet中采用TCP/IP通信时, 利用子网掩码来区分主机号和子网号, 从判断源主机和目的主机是否在同一个网段, 以决定是否转发, 从而顺利的完成通信。

2.2.2 子网掩码的确定

子网划分后, 子网掩码究竟为多少?则要看划分子网的个数, 只有子网数决定占用多少位主机号作为子网号, 如下所示:

Min (sub) 网号所占位数最小值;-2:减去子网号为全0和全1两种情况。通过上式便可推导出子网号所占的位数, 将所有位赋全1, 再转化成十进制便得到子网掩码。

如:要划分4个子网, 按照公式1, 先取s u b为4位, 满足条件, 那么就要考察还有没有更小的s u b满足上式呢, 再取3, 仍满足上式, 当取s u b为2时, 上式不满足, 所以s u b应取值为3。按照子网掩码的规则, 对应的网络号和子网号为1, 如下表示:1 1 11 1 1 1 1.1 1 1 1 1 1 1 1.1 1 1 11 1 1 1.1 1 10 0 0 0 0, 用点分十进制表示为:255.255.255.224。由于占用3位主机号作为子网号, 每个子网最多容纳3 2台主机, 除去全0和全1的情况, 每个子网只能拥有3 0台主机, 主机的I P地址范围便得到, 如下所示:

第一个子网段为0 0 1, I P地址范围为202.115.135.33—202.115.135.62

第二个子网段为0 1 0, I P地址范围为202.115.135.65—202.115.135.94

第三个子网段为0 1 1, I P地址范围为202.115.135.97—202.115.135.126

第四个子网段为1 0 0, I P地址范围为202.115.135.129—202.115.135.158

在以上的讨论中, 子网号是除了全0和全1两种情况, 而在实际上应用中, 子网号的全0和全1的情况已经可以采用了, 再考察子网数时就不必减2。

2.3 子网掩码的工作原理

在通信过程中, 首先判断双方是否在同一网段, 如果在同一网段, 直接发送, 否则就要转发。

工作原理:将宿主机的I P地址和源主机所在子网掩码“逻辑与”运算, 得出网段号 (网络号+子网号) , 若该网段号和源主机的网络号相同, 则源、宿在同一网段而不用转发;否则双方不在同一网段, 源主机将信息发往连接设备 (网关) 转发出去;用子网掩码的反码和I P地址“逻辑与”, 便得到所属子网的内部主机号。