计算机网络--第四章 网络层（2）

IP地址编制方法

一、ABCDE分类编制（二级结构）

1. 分类规则：

   • A类：0xxxxxxx（前1位为0）
     • 范围：1.0.0.0 ~ 126.255.255.255
     • 默认掩码：255.0.0.0（/8）
     • 适用场景：超大型网络（如跨国公司）。
   • B类：10xxxxxx（前2位为10）
     • 范围：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
     • 默认掩码：255.255.0.0（/16）
     • 适用场景：中型网络（如大学、企业）。
   • C类：110xxxxx（前3位为110）
     • 范围：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
     • 默认掩码：255.255.255.0（/24）
     • 适用场景：小型网络（如办公室、家庭）。
   • D类：1110xxxx（组播地址）
     • 范围：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
     • 用途：多播通信（如视频会议）。
   • E类：1111xxxx（保留地址）
     • 范围：240.0.0.0 ~ 255.255.255.255
     • 用途：科研或未来扩展。

2. 特殊地址：

   • 0.0.0.0/8：默认路由，未指定网络。
   • 127.0.0.0/8：环回地址（本地测试）。
   • 255.255.255.255：受限广播地址（仅当前网络）。
   • 169.254.0.0/16：链路本地地址（DHCP失败时自动分配）。

3. 私有地址：

   • A类：10.0.0.0/8（10.0.0.0 ~ 10.255.255.255）
   • B类：172.16.0.0/12（172.16.0.0 ~ 172.31.255.255）
   • C类：192.168.0.0/16（192.168.0.0 ~ 192.168.255.255）
   • NAT：私有地址通过NAT转换为公网地址，解决IPv4地址短缺问题。

二、子网划分与子网掩码（三级结构）

1. 核心公式：

   • 子网数 = (2^n - 2)（(n)为子网号位数，排除全0和全1子网）。
   • 主机数 = (2^m - 2)（(m)为主机号位数，排除全0和全1主机）。
   • 子网掩码 = 网络号 + 子网号（全1） + 主机号（全0）。

2. 五类题型详解：

   • 题型1：求网络地址
     • 步骤：
       1. 将IP地址和子网掩码转换为二进制。
       2. 按位与运算，主机位全置0。
     • 示例：
       • IP = 192.168.5.121（二进制：11000000.10101000.00000101.01111001）
       • 掩码 = 255.255.255.248（二进制：11111111.11111111.11111111.11111000）
       • 与运算后：11000000.10101000.00000101.01111000 → 192.168.5.120。
   • 题型2：求子网数和主机数
     • 示例：IP = 208.37.62.23，掩码 = 255.255.255.240（/28）
       • 子网号位数：4（因为掩码最后8位是11110000）。
       • 子网数 = (2^4 - 2 )。
       • 主机数 = (2^{4} - 2 = 14)（剩余4位主机号）。
   • 题型3：已知网络号和子网位数求掩码
     • 示例：B类网络172.16.0.0使用3位子网号。
       • 掩码 = 255.255.255.224（二进制：11111111.11111111.11111111.11100000）。
   • 题型4：已知网络号和子网数求掩码和范围
     • 示例：C类网络192.168.1.0划分6个子网。
       • 需3位子网号（(2^3=8 \geq 6)）。
       • 掩码 = 255.255.255.224（/27）。
       • 子网1范围：192.168.1.0/27 ~ 192.168.1.31（网络地址192.168.1.0，广播地址192.168.1.31）。
   • 题型5：判断同一子网
     • 示例：IP1=192.168.1.50，IP2=192.168.1.100，掩码=255.255.255.192（/26）。
       • 计算网络地址：
         • IP1：192.168.1.50 & 255.255.255.192 → 192.168.1.0。
         • IP2：192.168.1.100 & 255.255.255.192 → 192.168.1.64。
       • 结论：不同子网（网络地址不同）。

三、无分类CIDR编制

1. 核心概念：

   • 斜线记法：IP地址/网络前缀长度（如192.168.1.0/24）。
   • 地址块大小：(2^{(32 - 前缀长度)})。
   • 地址范围：
     • 最小地址：网络前缀 + 全0主机位。
     • 最大地址：网络前缀 + 全1主机位。

2. CIDR块计算示例：

   • IP = 192.168.1.5/20
     • 网络前缀：前20位 → 192.168.0.0。
     • 地址范围：192.168.0.0 ~ 192.168.15.255。
     • 块大小：(2^{12} = 4096)个地址。

3. 路由聚合（超网）：

   • 目标：合并连续子网，减少路由表条目。
   • 步骤：
     1. 将子网转换为二进制。
     2. 找到最长公共前缀。
     3. 确定聚合后的网络地址和前缀长度。
   • 示例：
     • 子网1：206.1.32.0/24（二进制：206.1.00100000.0）。
     • 子网2：206.1.33.0/24（二进制：206.1.00100001.0）。
     • 最长公共前缀：前23位 → 206.1.32.0/23。

四、常见错误与注意事项

1. 子网掩码误区：

   • 子网掩码必须是连续的1和0（如255.255.255.192是合法的，255.255.255.127不合法）。
   • 主机号全0为网络地址，全1为广播地址，不可分配给主机。

2. CIDR聚合陷阱：

   • 聚合的子网必须是连续的。
   • 检查聚合后的地址块是否包含非目标子网。

3. NAT注意事项：

   • 私有地址无法直接访问互联网，需通过NAT转换。
   • NAT可能导致端口冲突或性能下降。

五、实战练习

1. 题目：将C类网络192.168.1.0/24划分为7个子网，求子网掩码和每个子网的地址范围。

   • 解答：
     • 需3位子网号（(2^3=8 \geq 7)）。
     • 掩码 = 255.255.255.224（/27）。
     • 子网1：192.168.1.0/27 ~ 192.168.1.31（可用地址：192.168.1.1 ~ 192.168.1.30）。
     • 子网2：192.168.1.32/27 ~ 192.168.1.63，依此类推。

2. 题目：聚合以下子网：200.1.16.0/24、200.1.17.0/24、200.1.18.0/24、200.1.19.0/24。

   • 解答：
     • 二进制表示：
       • 200.1.00010000.0
       • 200.1.00010001.0
       • 200.1.00010010.0
       • 200.1.00010011.0
     • 最长公共前缀：前21位 → 200.1.16.0/21。

六、总结

• 分类编制：固定网络号，适合早期简单网络。
• 子网划分：通过子网掩码划分子网，优化地址利用。
• CIDR：灵活分配地址块，支持路由聚合，是现代网络的基础。

关键技能：二进制与十进制转换、按位与运算、子网计算、CIDR聚合。