規劃配置IP地址第3單元學習了TCP/IP參考模型，其中，網絡層的重要協議就是IP協議。1982年完成的IPv4（RFC791）定義了因特網在進行數據通信是可以應用的簡單規則、版主處理數據的一組頭以及尋址機制，成為了IP協議的標準。在以TCP/IP為通信協議的網絡上，每一臺主機都有一個唯一的IP地址。接下來，我們將要學習IP的定義、作用、分類，以及如何在局域網中為每一臺設備配置IP地址。

【學習目標】掌握IP地址的定義和層次結構。掌握IP地址的表示方法。掌握IP地址的分類。掌握子網掩碼、子網、超網的概念。能夠通過計算完成IP子網的劃分。能夠對網絡中設備的IP地址進行規劃。5.1IP地址首先，我們對比一下郵局通信系統。在寄信的時候，郵局通過信封上的地址和郵政編碼能將信件準確地送到對方手中。那么，在網絡這個虛擬的世界中，數據是通過什么地址準確地送到目的主機的呢？在網絡中，又是如何標識每一臺主機呢？根據之前學過的知識，我們知道，在網絡底層的傳輸過程中，是通過物理地址來識別每臺設備的。比如，常見的以太網卡的MAC地址，是48位的二進制整數，具有全球唯一性。如某以太網卡的MAC地址為EO-69-95-B1-FD-B7。而在網絡層，連入網絡的每一臺計算機都有一個由授權單位分配的地址，網絡中的計算機根據計算機的網絡地址進行相互識別和通信，這個地址就是IP地址。知識鏈接：IP地址與物理地址的區別：在不更換網絡設備的前提下，主機的MAC地就像是地球上的經緯度，它是物理的，永遠不會改變；而主機IP地址的指定則好像對某地址的命名，像街道號和門牌號那樣，會隨著城市的建設與發展而改變，它是邏輯的，是允許變化的。5.1.1IP地址的作用在IPv4協議下，每個IP地址都是由32位二進制數表示的，即4個字節，每個字節8位。如某設備的IP地址是11001010.01110000.01111000.00000001。為了方便表示一個IP地址，我們通常將每個字節轉換為一個十進制整數，并有圓點符號“.”將每個十進制數分開，即“點分十進制”。如上例中的IP地址用點分十進制表示即：。一個IP地址用來表示網絡中一個TCP/IP主機的唯一邏輯地址。在網絡中，我們為什么不用物理地址，而要使用IP地址來標識每一臺主機呢？5.1.1IP地址的作用1.IP地址便于屏蔽各種物理網絡的地址差異每種物理網絡都有各自的技術特點，其物理地址也各不相同，統一物理地址的表示方法不現實。2.IP地址便于根據網絡需要進行更改設備的物理地址是固化在硬件之中的，無法輕易進行修改。而IP地址可以根據網絡的具體情況進行配置，當網絡結構更改時也可以方便地更改IP地址。3.IP地址便于層次化編址物理地址屬于非層次化的地址，無法表示設備在網絡中的層次地位。而IP地址是一個結構化的分層的地址。便于分層化的尋址。綜上所述，對于各種物理網絡地址的“統一”是通過IP地址在網絡層完成的。TCP/IP提供了一種全網統一的地址格式，在統一方式的管理下進行地址分配，并且是物理地址的差異在網絡層被屏蔽。5.1.2IP地址的層次結構IP地址是由32位二進制數組成的，在實際的IP編址中，我們采用了層次化的地址結構，即使用兩級或三級的分層化尋址方案。一個IP地址由網絡地址和主機地址兩級組成，或者是由網絡、子網和主機三個層級來組成。1.網絡地址網絡地址也稱為網絡號，它用來表示每一網絡。同一個網絡中的每一臺計算機使用相同的網絡地址。2.子網地址在三級層次結構中，我們引入子網的概念，表示將一個網絡進一步劃分為多個子網。3.主機地址主機地址又稱為主機號，用來在一個網絡中標識每一臺主機設備。他是一個唯一的標識，也就是說，一個網絡中每臺主機的主機地址都是唯一的。通常我們看到的一個IP地址，都是由網絡地址和主機地址兩部分組成的，如圖5-1所示。位數0

圖5-1IP地址的二級層次而在需要的時候，我們會將網絡地址進行進一步的劃分，劃分為網絡地址和子網地址，如圖5-2所示。位數0

網絡地址主機地址網絡地址子網地址主機地址5.1.3IP地址的表示方法1.二進制表示IP地址使用32位二進制數表示，如11001010.01110000.01111000.00000001。2.點分十進制表示法如前面提到的，IP地址是由32位二進制組成，為了方便表示，通常采用點分十進制表示法，即w.x.y.z。其中每位十進制數的取值范圍應該為0-255。我們可以將上例中的二進制表示的IP地址轉換為點分十進制表示，如圖5-3所示。11001010011100000111100000000001

202.112.120.1圖5-3點分十進制表示法5.1.4IP地址的分類因特網的設計者決定根據網絡的規模大小來創建網絡的類別，按照IP的規定，Internet上的地址分類A、B、C、D、E五類。各類IP地址的結構如圖5-4所示。wxyz位123456789

1617

2425

32A類網絡地址

主機地址

0

B類網絡地址主機地址10

C類網絡地址主機地址110

D類

多播地址1110

E類

保留11110

圖5-4IP地址的分類1.A類IP地址A類IP地址是指用IP地址的第1字節即前8位來標識網絡號，后3字節標識主機號。其中規定第1位是“0”。A類地址的網絡地址為前8位，且第一位只能為0，所以A類網絡的網絡數僅有27-2即126個。計算網絡數量和主機數量是需要減2的原因是去掉“全1”數和“全0”數，即俗稱的“掐頭去尾”，因為這兩種地址另有特殊用途，我們將在下一節介紹。A類地址的網絡規模最大，每個A類網絡有24位用來標識主機號，所以每個A類網絡最多可以容納的主機數為224-2，即167772174個。

A類地址的理論地址范圍是：~55，如圖5-5所示。但是，由于要減去網絡地址和主機地址中的“全1”和“全0”地址，所以，其實際有效地址范圍是：~54，如圖5-6所示。。圖5-5A類IP地址的理論地址范圍圖5-6A類IP地址的有效地址范圍A類地址的網絡地址數量最少，而每個網絡中可容納的主機臺數是最多的，它可以用于主機數達1600多萬臺的大型網絡，目前主要提供給大型政府網絡使用。2.B類IP地址B類IP地址是指用IP地址的前2字節即前16位來標識網絡號，后2字節標識主機號。其中規定高2位是“10”。B類地址的網絡地址為前16位，且高2位只能為10開頭，所以A類網絡的網絡數應有214-2即16382個。B類地址的網絡規模中等，每個B類網絡有16位用來標識主機號，所以每個B類網絡最多可以容納的主機數為216-2，即65534個。B類地址的理論地址范圍是：~55，如圖5-7所示。但是，由于要減去網絡地址和主機地址中的“全1”和“全0”地址，所以，其實際有效地址范圍是：~54，如圖5-8所示。圖5-7B類IP地址的理論地址范圍圖5-8B類IP地址的有效地址范圍3.C類IP地址C類IP地址是指用IP地址的前3字節即前24位來標識網絡號，后1字節標識主機號。其中規定高3位是“110”。C類地址的網絡地址為前24位，且高3位只能為110開頭，所以A類網絡的網絡數應有221-2即2097152個。C類地址的網絡規模較小，每個C類網絡有8位用來標識主機號，所以每個C類網絡最多可以容納的主機數為28-2，即254個。C類地址的理論地址范圍是：~55，如圖5-9所示。但是，由于要減去網絡地址和主機地址中的“全1”和“全0”地址，所以，其實際有效地址范圍是：~54，如圖5-10所示。圖5-9C類IP地址的理論地址范圍圖5-10C類IP地址的有效地址范圍C類地址的網絡地址數量是所有地址類型中最多的，每個網絡中可容納的主機臺數是最少的，它適用于中小型企業網絡、校園網絡等，是一類常用的IP地址。

4.D類IP地址D類IP地址第一個字節以“1110”開始，它是一個專門保留的地址。它并不區分的網絡地址和主機地址，目前這一類地址被用在多點廣播（Multicasting）中。多點廣播地址用來一次尋址一組計算機，它標識共享同一協議的一組計算機。

D類地址不標識網絡地址，其地址覆蓋范圍為~55。知識鏈接：IP多播（Multicasting，也稱多址廣播或組播）技術，是一種允許一臺或多臺主機（多播源）發送單一數據包到多臺主機（一次的，同時的）的TCP/IP網絡技術。多播作為一點對多點的通信，是節省網絡帶寬的有效方法之一。

5.E類IP地址E類地址也不區分網絡地址和主機地址，它的第1個字節的前五位固定為“11110”。E類地址范圍：~55，它為將來使用保留，是一類保留地址。IP中對首字節為248~254的地址段沒有規定和定義。6.A、B、C三類IP地址的比較要判斷一個IP地址是屬于哪一類IP，只要看它的第一個字節的取值。A、B、C三類地址的具體比較如表5-1所示。表5-1三類IP地址的比較類別高位取值第一字節范圍網絡地址長度主機地址長度適用的網絡規模A01～126724大型網絡B10128～1911416中型網絡C110192～233218小型網絡5.1.5特殊的IP地址1.全0地址四個字節都為0的地址是一個特殊的IP地址，它對應于當前主機。2.有限廣播地址IP地址中的每一個字節都為全1的IP地址，即55，稱為有限廣播地址，也叫本地廣播地址，有限廣播將廣播限制在最小的范圍內，是用于本網的廣播地址。

3.直接廣播地址直接廣播地址又叫廣播地址，直接廣播地址包含一個有效的網絡號和一個全“1”的主機號。將一個IP地址的網絡位不變，主機位的所有二進制位設置為全1，即得到這個地址的廣播地址。如IP地址8，由它的第一字節取值可以分析出它是一個C類IP地址，所以它的主機位是第四字節，將第四字節的八位二進制數全部置為1，得到了該地址的廣播地址，即55。4.網絡地址將一個IP地址的網絡位不變，主機位的所有二進制位設置為全0，即得到這個地址的網絡地址。網絡地址用來表示“本地網絡”。如C類IP地址8，它的主機位是第四字節，將第四字節的八位二進制數全部置為0，得到了該地址的網絡地址，即。知識鏈接：上一節中提到的，計算網絡數量和主機數量是需要減2的原因是去掉“全1”數和“全0”數，即俗稱的“掐頭去尾”，因為這兩種地址另有特殊用途。我們現在知道了，主機位全“1”地址即“廣播地址”；主機位全“0”地址即“網絡地址”，這就是為什么主機IP地址在使用中要減去2，即減去廣播地址和網絡地址，因為它們不是可用的主機IP地址。5.環回地址環回地址又叫“回送地址”，LoopbackAddress。網段，留做本機網卡測試使用。測試與環回地址的連通性相當于發送不離開主機的數據包，也就是說，這些數據包不會通過外部網絡接口。例如:。我們用環回地址來測試本機的TCP/IP協議是否正常安裝。需要注意的是，它是一個虛擬地址。是IP地址中內部的一種。是一個特殊的A類IP地址，網絡地址是，我們經常使用的是這個地址，且賦給它一個名字：localhost。用“”就可以測試本機中配置的Web服務器。6.保留的私有地址私有地址（Privateaddress）屬于非注冊地址，專門為組織機構內部使用。根據IETF的定義。以下列出留用的內部私有地址：A類--55B類--55C類--55知識鏈接：公有地址（Publicaddress）由InterNIC（InternetNetworkInformationCenter因特網信息中心）負責。這些IP地址分配給注冊并向InterNIC提出申請的組織機構。通過它直接訪問因特網。IETF是Internet工程任務組（InternetEngineeringTaskForce）的簡寫。IETF又叫互聯網工程任務組，成立于1985年底，是全球互聯網最具權威的技術標準化組織，主要任務是負責互聯網相關技術規范的研發和制定，當前絕大多數國際互聯網技術標準出自IETF。5.2子網掩碼1.子網掩碼（SubnetMasks）的定義我們已經知道，一個主機IP地址由兩部分組成，網絡地址和主機編號。子網掩碼的目的就是區分IP地址中的網絡地址和主機編號。2.子網掩碼的取值子網掩碼的設定必須遵循一定的規則。與二進制IP地址相同，子網掩碼由1和0組成，且1和0分別連續。子網掩碼的長度也是32位，左邊是網絡位，用二進制數字“1”表示，1的數目等于網絡位的長度；右邊是主機位，用二進制數字“0”表示，0的數目等于主機位的長度。 例如，二進制的11111111111111110000000000000000，這32位二進制數高16位為連續的“1”，低16位為連續的“0”。這是一個合法的子網掩碼，即。3.子網掩碼的表示1）點分十進制表示就如IP地址的表示一樣，將32位二進制的掩碼每8位轉換成一個十進制數，并用“.”分開，這就是點分十進制的子網掩碼。如二進制的11111111111111110000000000000000，點分十進制表示即。2）網絡前綴標記法網絡前綴標記法直接在IP地址后加上"/"符號以及1-32的數字，其中1-32的數字表示子網掩碼中網絡標識位的長度。這種表示法通常寫在IP地址的后面。如IP地址的子網掩碼是。這個子網掩碼表示的網絡位是16位，因此可以表示為/16。4.默認子網掩碼對于A、B、C類IP地址來說，每類IP地址都默認對應了網絡地址的位數。因此就有了默認子網掩碼。對于A類地址來說，默認的子網掩碼是；對于B類地址來說默認的子網掩碼是；對于C類地址來說默認的子網掩碼是。默認子網掩碼的表示如表5-2所示表5-2默認子網掩碼類別默認網絡地址位數默認子網掩碼（二進制表示）默認子網掩碼（點分十進制表示）默認子網掩碼（網絡前綴表示）A811111111000000000000000000000000/8B1611111111111111110000000000000000/16C2411111111111111111111111100000000/245.子網掩碼的功能子網掩碼不能單獨存在，它必須結合IP地址一起使用。子網掩碼主要有兩個功能：（1）區分一個IP地址的網絡地址和主機編號。（2）用于劃分子網，講一個大的網絡劃分為多個小的子網。實例1：公司內部某部門主機的IP地址為8，請計算該IP地址的廣播地址、網絡地址、有限廣播地址、默認子網掩碼。該網絡中最多容納多少臺主機？該網絡主機地址范圍是多少？8是一個C類IP地址，它的網絡地址為高24位，主機位為低8位，因此可得：（1）廣播地址：主機位8位全1，即：55。（2）網絡地址：主機位8位全0，即：。（3）有限廣播地址：任何IP地址的有限廣播地址均為31位全1，即55.（4）默認子網掩碼：網絡位24位的掩碼對應為全1，主機位8位的掩碼對應為全0，即 （5）網絡內的主機數：主機位8位，因此主機數量為28-2=254臺。 （6）主機地址范圍：主機位8位的取值范圍是1~254，因此主機IP地址范圍是：~545.3IP子網劃分及無分類編址1.子網的概念出于對管理、性能和安全方面的考慮，許多單位把單一網絡劃分為多個物理網絡，并使用路由器將它們連接起來。子網劃分（Subnetting）技術能夠使單個網絡地址橫跨幾個物理網絡，這些物理網絡統稱為子網。子網技術將一個IP地址從網絡、主機兩級結構升級為由網絡、子網和主機三個層級來組成，如圖5-11所示。位數

032

圖5-11IP地址的三級層次如項目實施場景中的公司，共有5個部門，工程部和技術支持部，每個部門30個信息點。市場部、總務部、財務部，共25個信息點。也就是說該公司共計需要145個IP地址。我們如果不進行子網的劃分，將所有設備放在一個網絡中，就無法實現對于各個部門的分別管理；而一個C類網絡可以容納254臺主機，我們如果每一個部門用一個C類網絡，會造成很大的浪費。這種情況下，我們利用子網技術，將一個網絡劃進一步分成五個子網。2.子網劃分的意義在計算機網絡規劃中，通過子網技術將一個大網絡劃分為多個子網，它的意義主要有一下幾點。（1）充分使用地址。可以使IP地址的分配更充分有效。（2）劃分管理職責。同一個大的網絡相比，小的網絡更便于管理，判斷并排除一個小網絡中的故障，要比大網絡容易的多。（3）提高網絡性能。覆蓋面越大的單一網絡，其性能越不穩定，會出現各種意想不到的問題。而多個相對范圍較小的網絡，會使系統更高效。3.子網的層次結構如前所述，子網技術將一個IP地址從網絡、主機兩級結構升級為由網絡、子網和主機三個層級來組成。其具體的結構是將單個網絡的主機位部分進一步分為兩個部分，其中高位用于子網號編址，低位用于主機號編址，如圖5-11所示。 網絡號：確定了一個網絡。 子網號：確定了這個網絡中一個獨立管理的子網。 主機號：確定了與子網相連的主機地址。子網劃分的本質就是從一個網絡地址的主機位中進一步劃分出幾位作為子網位，剩下的位成為新的主機位。劃分子網位的位數取決于具體的需要：子網所占的比特越多，則可以分配給主機的位數就越少。如何來區分一個IP地址是否進行了子網劃分呢？這就要用到子網掩碼了。例如，某IP地址5，它是一個B類地址，默認的子網掩碼是，即它的主機位是低16位。而如果同一個IP地址，它的子網掩碼變成了，也就意味這第三字節的8位也成為了網絡位，主機位只有8位了。這就是說，將這個網絡進一步劃分了子網，它的子網掩碼改變了。 一個B類網絡，將主機號分為兩部分，其中，8位用于子網號，另外8位用于主機號，那么這個B類網絡就被分為28-2=254個子網，每個子網可以容納28-2=254臺主機。4.超網技術子網劃分在一定程度上緩解了Internet發展中遇到的IP地址的困難，然而，早在1992年，B類IP地址就已經分配了近一半，IP地址枯竭成為一個亟待解決的問題。與子網技術相反，超網(supernetting)是將幾個小的網絡組合在一起，形成一個大網絡。一個C類網絡可以容納254臺主機，這對于一些較大規模的公司或機構可能會不夠用，一個解決辦法就是將幾個C類網絡合并在一起，構成一個超網。與子網掩碼相反，超網掩碼中“1”的位數應該比對應地址的默認子網掩碼少。把默認掩碼中最右邊的若干位1變成0，就得到了超網掩碼，如圖5-12所示，將默認掩碼的網絡位向左移四位作為主機位，得到了超網掩碼。5.無分類編址無分類域間路由選擇CIDR(ClasslessInterDomainRouting)，這個概念的提出是建立于“超網”的基礎上。如前所述，“超級組網”是“子網劃分”的反義詞，可看作子網劃分的逆過程。子網劃分時，從地址主機部分借位，將其合并進網絡部分；而在超級組網中，則是將網絡部分的某些位合并進主機部分。 CIDR消除了傳統的A類、B類、C類地址以及子網劃分的概念，因為可以更加有效的分配IPv4地址空間。 CIDR使用各種不同長度的“網絡前綴”來替代分類地址中的“網絡號”和“主機號”。 CIDR中，IP地址從使用子網掩碼的三級編址又回到了二級編址。它使用斜杠“/”記法，即在IP地址后面加一個“/”，然后寫出網絡前綴的位數。這個數值其實就是子網掩碼中“1”的個數。CIDR的方法是ISP為公司、家庭客戶等分配大量IP地址的基本方法，很大程度上緩解了IP地址的枯竭。在有類地址中，ISP在向其客戶分配地址時只能以“/8”、“/16”、“/24”為單位來分配IP地址。而在CIDR環境中，ISP可以根據每個客戶的具體情況進行分配。5.4地址解析協議1.ARP的概念和原理地址解析協議ARP（AddressResolutionProtocol）是獲取物理地址的一個TCP/IP協議。它負責將某主機的IP地址解析為物理地址。 在OSI七層模型中，各層之間彼此不直接打交道，只通過接口傳遞信息。IP地址在第三層網絡層，MAC地址在第二層數據鏈路層。協議在發生數據包時，得先封裝第三層（IP地址），第二層（MAC地址）的報頭,但協議只知道目的節點的IP地址，不知道其MAC地址，又不能跨第二、三層，所以得用ARP的服務將IP地址轉換為MAC地址。假設網絡中的主機A的IP地址為，MAC地址為00-11-22-33-44-AA。主機E的IP地址為，MAC地址為00-11-22-33-44-EE。 在TCP/IP協議中，A給E發送IP包，在報頭中需要填寫E的IP為目標地址，但這個IP包在以太網上傳輸的時候，還需要進行一次以太包的封裝，在這個以太包中，目標地址就是E的MAC地址.A是如何得知E的MAC地址的呢？解決問題的關鍵就在于ARP協議。在A不知道E的MAC地址的情況下，A就廣播一個ARP請求包，請求包中填有E的IP()，以太網中的所有計算機都會接收這個請求，而正常的情況下只有E會給出ARP應答包，包中就填充上了E的MAC地址，并回復給A。A得到ARP應答后，將E的MAC地址放入本機緩存，便于下次使用。其工作原理如圖5-13所示。

2.RARP

RARP(反向地址解析協議，ReverseAddressResolutionProtocol)經常在無盤工作站上使用，它允許局域網的物理機器從網關服務器的ARP表或者緩存上請求其IP地址。其工作原理如圖5-14所示。

圖5-14RARP的工作原理首先，主機A發送一個本地的RARP廣播，在此廣播包中，聲明自己的MAC地址并且請求任何收到此請求的RARP服務器分配一個IP地址；然后，本地網段上的RARP服務器收到此請求后，檢查其RARP列表，查找該MAC地址對應的IP地址；如果存在，RARP服務器就給源主機發送一個響應數據包并將此IP地址提供給對方主機使用；如果不存在，RARP服務器對此不做任何的響應；最后，源主機A收到從RARP服務器的響應信息，就利用得到的IP地址進行通訊；如果一直沒有收到RARP服務器的響應信息，表示初始化失敗。5.5子項目4——規劃配置公司各部門IP地址項目實施場景中，提到了公司一共租用了2層樓，五個部門，工程部和技術支持部在一層，每個部門30個信息點。市場部、總務部、財務部在2層，共25個信息點。公司使用一個C類內部IP地址段/24，現要將其進一步劃分為五個子網，該如何進行劃分。

1.實施思考本項目中使用同一個IP網段進行IP地址分配，不便于管理職責的劃分，IP地址使用混亂，如圖5-13所示。通過IP子網劃分將每一個部門劃分到不同的子網之中，便于網絡的管理。2.實施步驟（1）確定需要用多少位子網位來標識每一個子網。在子網劃分中，n位子網位可以標識2n-2個子網。即2位子網位可以表示22-2=2個子網，3位子網位可以表示23-2=6個子網，4位子網位可以表示24-2=14個子網。有項目需求可知，我們需要劃分5個子網，所以至少要用3位作為子網位。（2）根據子網位數確定主機位數并計算主機數量是否滿足要求。 在子網劃分中，m位子網位可以標識2m-2個子網。C類網絡中原本有8位主機位，現在借去3位作為子網位，所以主機位數為8-3=5位，計算可得每個子網最大主機數為25-2=30臺，符合項目需求中每個部門的主機臺數要求。 思考：若使用4位作為子網位也可以滿足5個子網的需求，為什么不采用4位子網位呢？4位子網位則主機位數還剩8-4=4位，而4位主機位能容納的最多主機臺數為24-2=14臺。而項目需求中的工程部和技術支持部每個部門都需要30臺主機，14臺主機的劃分方法無法滿足需求。（3）根據網絡位數和主機位數確定子網掩碼。子網掩碼的取值：網絡位的掩碼為1，主機位的掩碼為0。原本的C類網絡，網絡位數24位，主機位數8位，因此掩碼為11111111.11111111.11111111.00000000即。經過子網劃分之后，網絡位多了3位，而主機位成了5位。即將最后8位的高3位置為1，低5位仍為0，得11111111.11111111.11