计算机网络(四)—— 网络层(3):IPv4地址
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- 3. IPv4地址
- 3.1 IPv4地址概述
- 3.1.1 课后练习
- 3.2 分类编址的IPv4地址
- 3.2.1 课后练习
- 3.3 划分子网的IPv4地址
- 3.3.1 课后练习
- 3.4 无分类编址的IPv4地址
- 3.4.1 课后练习
- 3.5 IPv4地址的应用规划
- 3.5.1 定长的子网掩码FLSM
- 3.5.2 变长的子网掩码VLSM
- 3.5.3 总结
- 3.5.4 课后练习
3. IPv4地址
3.1 IPv4地址概述
■ 在TCP/IP体系中,IP地址是一个最基本的概念,我们必须把它弄清楚。
■ IPv4地址就是给因特网(Internet)上的每一台主机(或路由器)的每一个接口分配一个在全世界范围内是唯一的32比特的标识符。
■ IP地址由因特网名字和数字分配机构ICANN(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配。
⋄\diamond⋄ 我国用户可向亚太网络信息中心APNIC(Asia Pacitic Network information Center)申请IP地址,需要缴费。
⋄\diamond⋄ 2011年2月3日,互联网号码分配管理局IANA(由ICANN行使职能)宣布,IPv4地址已经分配完毕。
⋄\diamond⋄ 我国在2014至2015年也逐步停止了向新用户和应用分配IPv4地址。同时全面开展商用部署IPv6。
■ lPv4地址的编址方法经历了如下三个历史阶段:
■ 32比特的IPv4地址不方便阅读、记录以及输入等,因此IPv4地址采用点分十进制表示方法以方便用户使用。
例:
练习:
8位无符号二进制整数转十进制:
十进制整数转8位无符号二进制数: 除2取余法、凑值法。
3.1.1 课后练习
1. 构成IPv4地址的比特数量和构成以太网MAC地址的比特数量分别是( B )
A. 16,24 B. 32,48 C. 64,96 D. 128,192
分析: 构成IPv4地址的比特数量为32,构成以太网MAC地址的比特数量为48。
2. IPv4编址方法的三个历史阶段不包含( C )
A. 分类编址 B. 划分子网 C. 路由选择 D. 无分类编址
分析: IPv4编址方法的三个历史阶段为分类编址、划分子网、无分类编址。
3. 某个IPv4地址的二进制形式为11000000111111100000111111110000,则点分十进制形式为( A )
A. 192.254.15.240 B. 240.15.254.192 C. 96.128.51.120 D. 120.51.128.96
分析:
3.2 分类编址的IPv4地址
分类编址的IPv4地址分为A、B、C、D、E五类,如下图所示。
注意事项: 1. 只有A类、B类和C类地址可分配给网络中的主机或路由器的各接口;
2. 主机号为“全0”的地址是网络地址,不能分配给主机或路由器的各接口;
3. 主机号为“全1"”的地址是广播地址,不能分配给主机或路由器的各接口。
- A类地址
- B类地址
- C类地址
例: 下列IP地址中,只能作为IP分组的源IP地址但不能作为目的IP地址的是( A )
A. 0.0.0.0 B. 127.0.0.1 C. 20.10.10.3 D. 255.255.255.255
分析: 地址0.0.0.0是一个特殊的IPv4地址,只能作为源地址使用,表示“在本网络上的本主机”。封装有DHCP Discovery报文的IP分组的源地址使用0.0.0.0;
以127开头且后面三个字节非“全0”或“全1”的IP地址是一类特殊的IPv4地址,既可以作为源地址使用,也可以作为目的地址使用,用于本地软件环回测试,例如常用的环回测试地址127.0.0.1;
地址255.255.255.255是一个特殊的IPv4地址,只能作为目的地址使用,表示“只在本网络上进行广播(各路由器均不转发)”。
综上所述,选项A正确。
总结:
3.2.1 课后练习
1. 分类编址的IPv4地址共分( C )
A. 3类 B. 4类 C. 5类 D. 6类
分析: 分类编址的IPv4地址分为A、B、C、D、E五类。
2. 在IPv4地址的分类编址阶段,A类网的数量为( B )
A. 27^77-1 B. 27^77-2 C. 27^77+1 D. 27^77+2
分析: 在IPv4地址的分类编址阶段,A类网的数量为2(8−1)^{(8-1)}(8−1)-2 = 126。
3. 在IPv4地址的分类编址阶段,每个B类网包含的IP地址数量为( C )
A. 28^88 B. 28^88-2 C. 216^{16}16 D. 216^{16}16-2
分析: 在IPv4地址的分类编址阶段,每个B类网包含的IP地址数量为216^{16}16 = 65536。
4. 在IPv4地址的分类编址阶段,每个C类网可分配给主机或路由器接口的IP地址数量为( B )
A. 28^88 B. 28^88-2 C. 216^{16}16 D. 216^{16}16-2
分析: 在IPv4地址的分类编址阶段,每个C类网可分配给主机或路由器接口的IP地址数量为 28^88-2 = 254。
5. 以下属于C类IPv4地址,但又不能分配给主机的是( B )
A. 196.2.3.8 B. 192.0.0.255 C. 191.255.255.252 D. 126.255.255.255
分析: 以下属于C类IPv4地址,但又不能分配给主机的是192.0.0.255,因为最后一个8位组是全1,代表这个IP是广播,不能分给主机使用。
3.3 划分子网的IPv4地址
■ 为新增网络申请新的网络号会带来以下弊端:
⋄\diamond⋄ 需要等待时间和花费更多的费用
⋄\diamond⋄会增加其他路由器中路由表记录的数量
⋄\diamond⋄浪费原有网络中剩余的大量P地址
■ 32比特的子网掩码可以表明分类lIP地址的主机号部分被借用了几个比特作为子网号
⋄\diamond⋄ 子网掩码使用连续的比特1来对应网络号和子网号
⋄\diamond⋄ 子网掩码使用连续的比特0来对应主机号
⋄\diamond⋄ 将划分子网的IPv4地址与其相应的子网掩码进行逻辑与运算就可得到IPv4地址所在子网的网络地址
■ 给定一个分类的IP地址和其相应的子网掩码,就可知道子网划分的细节:
⋄\diamond⋄ 划分出的子网数量
⋄\diamond⋄ 每个子网可分配的IP地址数量
⋄\diamond⋄ 每个子网的网络地址和广播地址
⋄\diamond⋄ 每个子网可分配的最小和最大地址
例1: 已知某个网络的地址为218.75.230.0,使用子网掩码255.255.255.128对其进行子网划分,请给出划分细节。
分析:
例2: 已知某个网络的地址为218.75.230.0,使用子网掩码255.255.255.192对其进行子网划分,请给出划分细节。
分析:
例3: 某主机的IP地址为180.80.77.55,子网掩码为255.255.252.0,如该主机向其所在子网发送广播分组,则目的地址可以是( D )
A. 180.80.76.0 B. 180.80.76.255 C. 180.80.77.255 D. 180.80.79.255
分析:
■ 默认的子网掩码是指在未划分子网的情况下使用的子网掩码。
3.3.1 课后练习
1. 已知某个网络的地址为192.168.0.0,使用子网掩码255.255.255.128对其进行子网划分,可划分出的子网数量为( A )
A. 2 B. 4 C. 8 D. 16
分析: 子网掩码255.255.255.128中的128二进制表示为1000 0000,一个比特1表示从主机号中借用一个比特作为子网号,划分出的子网数量为 21^11 = 2。
2. 已知某个网络地址为10.0.0.0,使用子网掩码255.255.192.0对其进行子网划分,则每个子网包含的地址数量为( C )
A. 210^{10}10 B. 210^{10}10-2 C. 214^{14}14 D. 214^{14}14-2
分析: 子网掩码255.255.192.0中的192二进制表示为1100 0000,14个比特0表示每个子网包含的地址数量为 214^{14}14。
3. 已知某个网络地址为172.16.0.0,使用子网掩码255.255.224.0对其进行子网划分,则所划分出的最后一个子网的广播地址是( B )
A. 172.16.0.255 B. 172.16.255.255 C. 172.0.255.255 D. 172.255.255.255
分析: 子网掩码255.255.224.0中的224二进制表示为1110 0000,网络地址为172.16.0.0所划分出的最后一个子网的广播地址是172.16.255.255。
4. 已知某个网络地址为192.168.1.0,使用子网掩码255.255.255.128对其进行子网划分,则所划分出的第一个子网的广播地址是( A )
A. 192.168.1.127 B. 192.168.1.128 C. 192.168.1.254 D. 192.168.1.255
分析: 子网掩码255.255.255.128中的128二进制表示为1000 0000,所划分出的第一个子网的广播地址是192.168.1.0111 1111,即192.168.1.127。
5. 某主机的IP地址是166.66.66.66,子网掩码为255.255.192.0,若该主机向其所在子网发送广播分组,则目的地址可以是( D )
A. 166.66.66.255 B. 166.66.255.255 C. 166.255.255.255 D. 166.66.127.255
分析: 由子网掩码255.255.192.0(11111111.11111111.11000000.00000000)可知网络为连续的1,那么主机位为连续的0,也就是14位,然后题目要发送广播分组,所以求的是广播地址,广播地址的主机位也是全为1,所以主机166.66.66.66所在的广播地址就是 166.66.01(111111.11111111),括号里面的是主机号,主机号全为1就是广播地址,即166.66.127.255。
3.4 无分类编址的IPv4地址
■ 划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难,但是数量巨大的C类网因为其地址空间太小并没有得到充分使用,而因特网的IP地址仍在加速消耗,整个IPv4地址空间面临全部耗尽的威胁。
■ 为此,因特网工程任务组IETF又提出了采用无分类编址的方法来解决IP地址紧张的问题,同时还专门成立IPv6工作组负责研究新版本lP以彻底解决IP地址耗尽问题。
■ 1993年,IETF发布了无分类域间路由选择CIDR(Classless Inter-Domain Routing)的RFC文档:RFC 1517~1519和1520。
⋄\diamond⋄ CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址,以及划分子网的概念;
⋄\diamond⋄ CIDR可以更加有效地分配IPv4的地址空间,并且可以在新的IPv6使用之前允许因特网的规模继续增长。
■ CIDR使用“斜线记法”,或称CIDR记法。即在IPv4地址后面加上斜线“/”,在斜线后面写上网络前缀所占的比特数量。
■ CIDR实际上是将网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。
■ 我们只要知道CIDR地址块中的任何一个地址,就可以知道该地址块的全部细节:
⋄\diamond⋄ 地址块的最小地址
⋄\diamond⋄ 地址块的最大地址
⋄\diamond⋄ 地址块中的地址数量
⋄\diamond⋄ 地址块聚合某类网络(A类、B类或C类)的数量
⋄\diamond⋄ 地址掩码(也可继续成为子网掩码)
例1: 请给出CIDR地址块128.14.35.7/20的全部细节(最小地址,最大地址,地址数量,聚合C类网数量,地址掩码)。
分析:
■ 路由聚合(构造超网)的方法是找共同前缀;
■ 网络前缀越长,地址块越小,路由越具体;
■ 若路由器查表转发分组时发现有多条路由可选,则选择网络前缀最长的那条,这称为最长前缀匹配,因为这样的路由更具体。
例1: 在子网192.168.4.0/30中,能接收目的地址为192.168.4.3的IP分组的最大主机数是( C )
A. 0 B. 1 C. 2 D. 4
分析:
题目中给定IP分组的目的地址为192.168.4.3,是该网络的广播地址,因此该网络上的所有主机都能收到。由于该网络只有两个可分配的IP地址,因此网络中的主机数量最大为2,那么可以收到该IP分组的最大主机数就是2。
例2: 某路由表中有转发接口相同的4条路由表项,其目的网络地址分别为35.230.32.0/21、35.230.40.0/21、35.230.48.0/21和35.230.56.0/21,将该4条路由聚合后的目的网络地址为( C )
A. 35.230.0.0/19 B. 35.230.0.0/20 C. 35.230.32.0/19 D. 35.230.32.0/20
分析:
3.4.1 课后练习
1. 某个IPv4地址的CIDR表示形式为126.166.66.99/22,则以下描述错误的是( D )
A. 网络前缀占用22个比特 B. 主机编号占用10个比特 C. 所在地址块包含地址数量210^{10}10 D. 126.166.66.99是所在地址块中的第一个地址
分析: 某个IPv4地址的CIDR表示形式为126.166.66.99/22,则网络前缀占用22个比特,主机编号占用10个比特,所在地址块包含地址数量210^{10}10。
2. CIDR地址块10.0.0.0/10中的最后一个地址是( A )
A. 10.63.255.255 B. 10.255.255.255 C. 10.0.255.255 D. 10.0.0.255
分析: CIDR地址块10.0.0.0/10中的最后一个地址是10.63.255.255。
3. 某个网络所分配到的地址块为172.16.0.0/29,能接收目的地址为172.16.0.7的IP分组的最大主机数是( C )
A. 4 B. 5 C. 6 D. 7
分析: 某个网络所分配到的地址块为172.16.0.0/29,能接收目的地址为172.16.0.7的IP分组的最大主机数是6。
4. 某路由表中有转发接口相同的2条路由表项,其目的网络地址分别为202.118.133.0/24和202.118.130.0/24,将这2条路由聚合后的目的网络地址为( A )
A. 202.118.128.0/21 B. 202.118.128.0/22 C. 202.118.130.0/22 D. 202.118.132.0/20
分析: 某路由表中有转发接口相同的2条路由表项,其目的网络地址分别为202.118.133.0/24和202.118.130.0/24,将这2条路由聚合后的目的网络地址为202.118.128.0/21。
5. 地址172.16.2.160属于下面哪一个地址块( C )
A. 172.16.2.64/26 B. 172.16.2.96/26 C. 172.16.2.128/26 D. 172.16.2.192/26
分析: 地址172.16.2.160属于172.16.2.128/26地址块。
3.5 IPv4地址的应用规划
- 定长的子网掩码FLSM(Fixed Length Subnet Mask)
■ 使用同一个子网掩码来划分子网
■ 每个子网所分配的IP地址数量相同,造成IP地址的浪费 - 变长的子网掩码VLSM(Variable Length Subnet)
■ 使用不同的子网掩码来划分子网
■ 每个子网所分配的IP地址数量可以不同,尽可能减少对IP地址的浪费
3.5.1 定长的子网掩码FLSM
例1: 假设申请到的C类网络为218.75.230.0,请使用定长的子网掩码给下图所示的小型互联网中的各设备分配IP地址。
例2: 假设申请到的C类网络为218.75.230.0,请使用定长的子网掩码给下图所示的小型互联网中的各设备分配IP地址。
应用需求:将C类网络218.75.230.0划分成5个子网,每个子网上可分配的IP地址数量不得少于各自的需求。
3.5.2 变长的子网掩码VLSM
例: 假设申请到的地址块为218.75.230.0/24,请使用变长的子网掩码给下图所示的小型互联网中的各设备分配IP地址。
3.5.3 总结
3.5.4 课后练习
1. 在一条点对点的链路上,为了减少地址的浪费,地址掩码应该指定为( A )
A. 255.255.255.252 B. 255.255.255.248 C. 255.255.255.240 D. 255.255.255.196
分析: 255.255.255.252减去一个广播地址一个网络地址,就剩2个IP,两个IP分在链路两端的设备上。252到255,可以有两台主机,用其他的就浪费了,比如240到255,可以有14台主机!
2. 若将某个C类网络划分出5个子网,每个子网最多20台主机,则使用的子网掩码是( B )
A. 255.255.255.192 B. 255.255.255.224 C. 255.255.255.240 D. 255.255.255.248
分析: 从网络划分,需要划分5个子网,就是2^3=8>5,因此需要借3位,默认是255.255.255.0,借了三位,也就是最后那个0(00000000)变成了(11100000),所以就是224了,故答案为255.255.255.224。
3. 下面有关FLSM与VLSM的说法中,错误的是( D )
A. FLSM使用同一个子网掩码来划分子网
B. VLSM可以使用不同的子网掩码来划分子网
C. 使用FLSM划分的子网,每个子网所分配的IP地址数量相同
D. 使用VLSM划分子网,只能划分出偶数个子网
分析: 下面有关FLSM与VLSM的说法中,错误的是使用VLSM划分子网,只能划分出偶数个子网。
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