第三章 ip位址的分配與聚合設計
隨著電報技術的普及和網際網路技術的迅猛發展，網際網路已作為21世紀人類的一種新
生活方式而深入到尋常百姓家。談到網際網路，ip位址就不能不提，因為無論是從學習還是從使用網際網路的角度來看，ip位址都是乙個十分重要的概念，internet是許多服務和特點都是使用通過ip位址體現出來的，而ip位址和子網掩碼的設定，更是每個從事網路工作的人必須具備的網路知識，只有理解了ip位址和子網掩碼的真下正含義，才能得心應手的管理乙個網路。我們要想理解ip位址與子網掩碼的真正應用，首先要理解ip位址與子網掩碼的常識。
本章將要詳細講解ip位址的分類規則以及如何靈活的運用子網掩碼技術規劃網路等基礎知識。
3.1網際協議ip
3.1.1 ip協議的功能
網際協議ip/是tcp/ip體系中最主要的協議之一，也是最重要的網際網路標準協議之一。ip協議提供了無連線資料報傳輸和網際路由器服務。利用ip協議就可以使效能各異的網路讓使用者看起來好象是乙個統一的網路。
ip協議在整個tcp/ip協議棧中占有重要位置。應用層和網路介面層都有多種協議，而中間的ip層很小，上層的各種都協議向下匯聚到乙個ip協議中。
3.1.2 ip資料報的格式
ip層的資料傳輸單位為ip資料報。圖3-1是ip資料報的完整格式。可以看出，乙個ip資料報由首部和資料兩部分組成。
首部的前一部分是固定長度，共20位元組，是所有ip資料報必須具有的。後面的是一些可選字段，其長度是可變的。
圖3-1 ip資料報格式
下面介紹首部各字段的意義。
（1） 版本佔4bit，指ip協議的版本。目前廣泛使用的ip協議版本號為4（即ipv4）。
（2） 頭長度的範圍是20~60位元組。當ip分組的首部長度不是4bit整數倍的時，必須使用最後乙個填充字段加以填充。
（3） 服務型別佔8bit，用來獲得更好的服務。當網路流量較大時，路由器會根據服務型別（tos）內不同欄位的值，決定哪些資料報應該先傳送，哪些後以送。
前三個位元表示優先順序，將資料段分成8個優先順序。
d位元表示要求有更低的時延。
t位元表示有更高的吞吐量。
r位元表示有更好的可靠性。
c位元表示要求有更小的路由開銷。
最後乙個位元目前尚未使用。
（4） 總長度佔16bit，因此資料報的最大長度為節（即64kb）。雖然用盡可能長的資料報會使傳輸效率提高，但由於乙太網的普遍應用，實際上是用的資料報長度很少有超過節的。當資料報超過網路所允許的最大傳輸長度時，就必須將過長的資料報分片。
資料報首部中的總長度不是只未分片前的資料報長度，而是指分片後每片的首部長度與資料長度的總和。
（5） 標識（indentification）佔16bit，用於資料報分片與重組。它是乙個計數器，當i協議傳送資料報時，他就將這個計數器的當前的分片複製到標識欄位中。如果資料報要進行分片，則將這值複製到每乙個分片後的資料報片中。
這些資料報到了接收端，就按照標識欄位的值使這些分片後的資料報片重組成為原來的資料報。
（6） 標誌（flag）佔3bit。表示資料報的分片資訊。目前只有兩個比特有意義。
↘最低位mf（moreｆragment）。mf=1即表示後面還有分片的資料報。mf=0表示這已經是若干資料報的最後乙個。
↘中間位df（don『t fragment）。df=1表示不能分片。df=0表示允許分片。
（7） 片偏移佔13bit，8個位元組為偏移單位。這就是說，每個分片的長度一定是8位元組的整數倍。片偏移指出：
較長的分組分片後，某片原分組中的相對位置，也就是說，相對於使用者資料字段的起點。該片從何處開始。
（8） 生存時間生存時間（ttl）指資料報在網路中的壽命，其單位為依法秒。資料報在網路中傳輸，每經過乙個網路裝置，就將其ttl的值減1。直到最後，ttl的值變為0。
認為是無效的資料報，將其丟失。
（9） 協議佔8位元，協議字段指出此資料報攜帶資料是使用何種協議，即位於ip層上的協議是什麼。當目的主機收到ip資料報，就根據協議欄位的值將此ip資料報的資料部分交給其相應的上層協議處理。
（10） 首部檢驗和佔16位元，ip首部檢驗和只檢驗ip資料報的首部，不包括資料部分。這是因為資料報每經過乙個結點，都要重新計算首部檢驗和。如果將資料部分一起檢驗，計算量就太大了。
（11） 源位址佔4位元。
（12） 目的位址佔4位元。
（13） ip首部的可變部分就是乙個選項字段。選項字段用來支援排錯，測量以及安全等措施。增加這個首部可變部分是為了增加ip資料報的功能，同時也增加了每乙個路由器處理資料報的開銷。
首部長度從1個位元組到40個位元組不等。
3.2 ip位址及其分類
3.2.1 ip位址表示方法
當我們把整個網際網路看成乙個單一的，抽象的網路時，ip位址就是給連線到網際網路上的每一台主機分配乙個全世界內惟一的32位的識別符號。ip位址現在由網際網路名字與號碼指派公司icann進行分配。
在主機或路由器中存放的ip位址都是32位的二進位制**。為了提高可讀性，我們常常將32位的ip位址中的每8位用其等效的十進位制數字表示，並且在這些數字之間加上乙個點。內陸此標記ip位址的方法稱為點分十進位制記法。
如圖3-2所示，可以看出，ip位址的每一段的數的範圍是0~255。
圖3-2 ip位址
3.2.2 ip位址的分類
所謂的「分類的ip位址」就是將ip位址分為若干個固定類，每一類位址都是兩個固定長度的字段組成，分別為網路號（net—id）和主機號（hosr-id）。網路號用來標識主機或路由器所連線到的網路，主機號用來標識該主機或路由器。
每乙個ip資料報都包含ip位址，用來標識源和目的網路和主機。每乙個網路都有惟一的網路位址，所有連線到這個網路的主機，都有相同的網路位和惟一和主機位。
ip位址可分為a類，b類，c類，d類和e類。其中的a類，b類和c類位址是最常用的。d類位址用來作為組播位址，e類位址保留在今後使用。
圖3-3 ip位址分類
a類，b類和c類ip位址的網路號分別是8位 ，16位和24位，其最前面的1~3位元的數值分別規定為0，10，100。其主機號字段分別為24位，16位和8位。
3.2.3 ip位址的網路數和主機數的計算方法
對於a類位址而言，其網路號僅僅只佔8位，主機號佔24位。a類網路容納的主機數最多。b類和c為類網路所容納得主機數相對少些。
d類和e類位址也被定義。d類位址是以224.0.
0.0開始,留作以後使用。
a類位址的特點：
↘以0開頭；
↘網路號的範圍是：1.0.0.0到126.0.0.0;
↘最大網路數:127個(1~126是可用的,127作為本地軟體迴路測試本主機之用)。
↘網路中的最大主機數是1677214（即224-2）個。其中減2的原因是去掉主機號全0的位址和主機號全1的主機位址，主機號全0的位址表示該ip位址所連線網路的網路位址，主機號全1的位址表示該ip位址所連線網路的所有主機位址，即廣播位址。
b類位址的特點：
↘以1，0開頭
↘網路號的範圍是：16384
↘網路中的最大主機數65534個
↘c類網路的特點：
↘前三個位元位為1，1，0
↘網路號的範圍：192.0.0.0~223.255.255.0
↘可用的網路數為:2097152
↘網路中的最大主機數是254個
這樣，對於網路中的一台主機,就可以有網路號和主機號來識別。在路由表中，將屬於同乙個網路中的主機歸結為乙個條目，即網路位址。這樣做的好處是節省了路由表資訊，提高了**效率。
3.2.4 專用ip位址
ip位址中，還存在著這樣三個位址字段，他們只在本機構內部有效，不會被路由器**到公網中。這些ip位址存在的意義是：假設在乙個機構內部使用的計算機就可以由本機構自行分配其ip位址。
則就是說，讓這些計算機使用僅在本機構有效地ip位址，而不是要向網際網路的管理機構申請全球ip位址。這樣也可以節省寶貴的全球ip位址的資源。
我們將這樣的ip位址稱為專用位址（private addres）。這些位址只能用於乙個機構的內部通訊，而不能用於和網際網路上得主機通訊。換言之，專用位址只能用作本地位址而不能用作全球位址。
在網際網路中的所有路由器對目的位址是專用位址的資料報一律不進行**。這些專用位址是：
（1）10.0.0.0~10.255.255.255
（2）172.16.0.0~172.31.255.255
（3）192.168.0.0~192.168.255.255
3.3 子網的劃分
我們以b類位址為例，乙個b類的網路中的最大主機數為2……16-2個，如果我們採取乙太網形式，則如果有大量的廣播資訊存在，就會導致網路擁塞。如圖3-4所示，圖中的172.16.
0.0這個網路所容納的主機數為65534個，且這些主機都同處於乙個廣播域，使得網路的效能很低
圖3-4 b類網路可容納的主機數
3.3.1 劃分子網的目的
如果我們將乙個網路劃分成若干個子網，就可以使ip位址應用的更加有效。將原有同處於同乙個網段上的主機分成不同的網段或子網，同時也將原來的乙個廣播劃分成了若干個較小的廣播域。
3.3.2 劃分子網的方法
在下面的例子中，網路172.16.0.
0被分成了四個子網，分別是：172.16.
1.0，172.16.
1.0，172.16.
3.0，172.16.
4.0。
圖3-5 子網的劃分a
圖3-5中，原有的172.16.0.
0這個網路號，被劃分了子網後變成了172.16.1.
0。也就是說，作為網路號的位數增加了。由原來的16位變成了24位。
我們將增加了的網路位稱之為自網路號位。子網號（subnet-id）是網路號的乙個延伸，網路管理者可以根據自己的需要決定子網號位數。劃分子網的方法是從子網的主機號借用若干個位元作為子網號，而主機也就相應減少了若干個位元。
於是，ip定址就分位了三步走：主類網路號、子網號和主機號。如圖3-6所示。
圖3-6 子網的劃分b
值得注意的是，路由器的每個埠要連線到不同的網段上，這個借用的位數是可以變的。並且每劃分乙個子網，付出的代價就是丟失了2個位址。因為子網的主機位址同樣不能是全0或全1。
3.3.3 子網掩碼
子網位址的形成是通過借用主機中的若干位來充當子網號位，這個借用的位數是可變的。那麼我們如何識別乙個網路到底有沒有劃分子網，如果劃分了則，子網號位數又是多少位？子網掩碼幫助我們解決了上述問題。
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