第四章2IP协议及地址

2019/12/201IP协议及地址互连网协议IP是TCP/IP体系中两个最重要的协议之一，与IP协议配套使用的还有三个协议：地址转换协议ARP（AddressResolutionProtocol）。反向地址转换协议RARP（ReverseAddressResolutionProtocol）。Internet控制报文协议ICMP（InternetControlMessageProtocol）。2019/12/202IP协议及地址1IP地址及转换(1)IP地址及其表示方法Internet识别网络的方法是给网络上的每一台计算机分配一个IP地址。IP地址就是给每个连接在Internet上的主机分配一个在全世界范围内唯一的32位二进制标识符。由于32位的二进制数字形式不适合阅读和记忆，为了便于用户阅读和理解IP地址，Internet管理委员会采用了一种“点分十进制”方法表示IP地址。如下图所示。2019/12/203IP协议及地址(2)网络地址和主机地址IP地址被分为网络地址（net-id）和主机地址（host-id）两部分。IP地址的格式可表示为：网络地址+主机地址。IP地址的这种结构使我们在Internet上很方便地进行寻址，先按IP地址中的网络号net-id把网络找到，再按主机号host-id把主机找到。2019/12/204IP协议及地址(3)IP地址的分类为了便于对IP地址进行管理，同时还考虑到网络的差异很大，将IP地址分为5类，即A类、B类、C类、D类和E类，其中D类地址是组播地址，E类地址保留今后使用。目前使用的IP地址仅A至C三类。在IP地址的开头用1位或几位以标识IP地址的类型，如右图所示。2019/12/205IP协议及地址(4)IP地址类型的识别A类地址：第一个数的范围在0～127之间，地址范围从1.0.0.1至126.255.255.254。B类地址：第一个数的范围在128～191之间，地址范围从128.1.0.1至191.255.255.254。C类地址：第一个数的范围在192～223之间，地址范围从192.0.1.1至223.255.255.254。例如，IP地址是138.10.118.25，它是一个B类地址，网络ID是138.10，主机ID是118.25。2019/12/206因特网的互连协议IP(5)内部网可用IP地址为了避免某个单位内部网选择任意网络地址，造成与合法的Internet地址发生冲突，IETF分配了具体的A类、B类和C类地址供单位内部网使用，这些地址为：A类：10.0.0.0～10.255.255.255B类：172.16.0.0～172.31.255.255C类：192.168.0.0～192.168.255.2552019/12/207因特网的互连协议IP(6)IP地址与硬件地址IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC帧的首部。IP地址与硬件地址的关系如下图。2019/12/208因特网的互连协议IP(7)地址的转换每一个Internet上的主机都有与之对应的三个地址，即物理地址（硬件地址）、IP地址和主机域名。主机的物理地址是网卡制造者制作在网卡上的无法改变的地址码。IP地址是一种二进制数的网络标识和主机标识，数字型标识对计算机网络是最有效的，但对使用网络的人却不愿意使用难于记忆的IP地址，为此人们研究出一种字符型标识，这就是主机的域名。主机域名、IP地址和物理地址之间的关系如下图。2019/12/209因特网的互连协议IP图9-6主机域名、IP地址与物理地址之间的转换因特网的互连协议IP2子网划分技术（1）子网的概念传统的IP地址用A,B,C等类划分，网络号与主机号的分隔必须固定在某个点分符上，在IP地址越来越紧张的时候这个问题就很突出了。可变长子网掩码VLSM(RFC1009)允许在主机号的比特位中继续定义子网掩码/子网扩展前缀，分隔不必在点分符上。用IP地址中的主机号（host-id）字段中的前若干比特位作为“子网号字段”，后面剩下的仍为主机号字段，再通过路由器将划分出的子网互连形成单位内部网，便于网络的管理和使用。2019/12/2011因特网的互连协议IP（2）子网的划分方法子网的划分方法是将单个网络号对应的主机号分为两个部分，其中一部分用于子网号编址，另一部分用于主机号编址，如下图所示。2019/12/2012因特网的互连协议IP（3）子网掩码（SubnetMask）在划分子网时，TCP/IP使用了子网掩码。子网掩码也是一个32位的二进制数，其形式与IP地址相同。它主要有两大功能：一是通过子网掩码，可以区分一个IP地址中的哪些位对应于网络地址（包括子网地址）、哪些位对应于主机地址；二是将网络分为多个子网。子网掩码的取值，通常是将对应于IP地址中网络地址（网络号和子网号）的所有位都设置为“1”，对应于主机地址（主机号）的所有位都设置为“0”。2019/12/2013因特网的互连协议IP子网掩码和IP地址结合使用，对子网掩码和IP地址进行“按位与”运算，可以分出一个IP地址的网络号和主机号。下表是一个例子，IP地址为141.58.97.235的主机，如采用的子网掩码是255.255.240.0，通过“与”运算，可以断定该主机是141.58.96.0网络中的第491号主机。名称十进制形式二进制形式IP地址141.58.97.23510001101001110100110000111101011子网掩码255.255.240.011111111111111111111000000000000对应的网络号141.58.96.010001101001110100110000000000000对应的主机号0.0.1.235(491)000000000000000000000001111010112019/12/2014因特网的互连协议IP（4）子网划分的规则RFC950中的规则RFC950规定了子网划分的规范，其中对网络地址中的子网号作了如下的规定：由于网络号全为“0”代表的是本网络，所以网络地址中的子网号也不能全为“0”，子网号全为“0”时，表示本子网网络；网络号全为“1”表示的是广播地址，所以网络地址中的子网号也不能全为“1”，全为“1”的地址用于向子网广播。所以，在划分子网时需要考虑子网号不能全取“1”和“0”。以下通过例子依据RFC950中的规定说明划分子网的具体步骤。2019/12/2015因特网的互连协议IP某单位现有100台计算机需要联网，要求每个子网内的主机数不少于40台，问使用一个C类地址如何划分子网？第一步，确定需要划分的子网数。使用一个C类地址划分子网，必然要从代表主机号的第四个字节中取出若干位用于划分子网。若取出1位，根据子网划分规则，无法使用。若取出3位，可以划分出8个子网，但每个子网容纳主机数为30，而实际要求是每个子网内的主机不少于40台。若取出2位，可以划分出2个可用子网，每个子网可容纳62个主机号，因此取出2位划分子网是可行的。2019/12/2016因特网的互连协议IP第二步，确定子网掩码。按照子网掩码的取值规则，子网掩码为255.255.255.192。如下图所示。2019/12/2017因特网的互连协议IP第三步，确定标识每一个子网的网络地址。如下图所示，两个子网的网络地址分别为192.168.1.64和192.168.1.128。2019/12/2018因特网的互连协议IP第四步，确定每一个子网的主机地址范围。如下图所示。2019/12/2019因特网的互连协议IP（4）子网划分的规则RFC1878中的规则1985年制定的RFC950中阻止使用全0全1的子网号以便与老式的路由器兼容，所以上例中的4个子网还要减去两个。但现在新的路由器大都支持CIDR（ClasslessInter-DomainRouting:无类域间路由）协议，CIDR摒弃了传统基于类的地址分配方式，规定可以使用任意长度的网络地址部分，因此在1995年制定的RFC1878(IPv4可变长子网表)中允许使用全0和全1的子网号，所以上例中对C类网络使用子网掩码255.255.255.192划分出的4个子网都可以使用，每个子网的网络地址和主机IP地址范围如下表所示。2019/12/2020因特网的互连协议IP上例中每个子网的网络地址和主机地址范围。2019/12/2021因特网的互连协议IP（5）默认网关（DefaultGateway）为了使一台计算机能在TCP/IP环境中正常工作，必须提供如下地址信息：①计算机的IP地址：用于标识网络中的每一台计算机；②计算机所在网络的子网掩码：用于区分IP地址中的网络ID和主机ID；③一个默认网关的IP地址：用于将子网掩码过滤出的IP分组导向目的主机。发往同一个子网上的数据分组可以直接流向目的地，而对于那些目的地不是本地网络上的计算机的数据分组，就需要一个默认的网关，把这些分组导向另一个子网中的目标系统。2019/12/2022３．特殊的IP地址：①网络地址：主机地址部分为全“0”的IP地址不分配给任何主机，而是作为网络本身的标识。例：主机202.198.151.136所在网段的网络地址为202.198.151.0；②直接广播地址：主机地址为全“1”的IP地址不分配给任何主机，用作远程网的广播地址。③有限广播地址：32位为全“1”的IP地址(255.255.255.255)称为局域网的广播地址。2019/12/2023④主机本身地址：32位为全“0”的IP地址(0.0.0.0)称为主机本身地址；⑤回送地址：127.0.0.1称为回送地址，常用于本机上软件测试和本机上网络应用程序之间的通信地址。2019/12/2024４.IPv4报文格式8位服务类型（TOS）16位总长度（字节数）16位标识8位生存时间（TTL）32位源IP地址32位目的IP地址选项数据11617324位版本号4位首部长度3位标志13位片偏移8位协议标识16位首部检验和20字节2019/12/2025版本号:目前IP协议的版本号为4，因此也称为IPv4。报头长度:报头长度指的是报头占32bit字的数量(一般是20字节,即5行)。服务类型:服务类型（TOS）字段包括一个3比特的优先权子字段。4比特的TOS分别表示:最小延迟、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。总长度:总长度字段是指整个IP数据报的长度,以字节为单位。标识字段：标识字段唯一地标识主机发送的每一个数据报。通常每发送一个报文，其值自动加1。IP数据报格式及报头中的各个字段2019/12/2026分段标志:3位标志位的第一位没有使用，第二位为DF位，该位被置1表示不要分段，它命令路由器不要将数据报分段，因为目的端不能重组分段。第3位是MF位，该位被置1表示该分段后还有进一步的分段，最后一个分段MF位为0。分段偏移:分段偏移说明该分段在当前数据报的什么位置。分段偏移以8字节为单位，这样偏移量1对应字节号8，偏移量2对应字节号16，依此类推。假设网络的MTU（最大传输单位）为1400字节，因此，路由器将把到达的一个4000字节的报文分为3段，第一段有1400字节数据，分段偏移为0；第二段有1400字节数据，分段偏移为175；第三段有1200字节数据，分段偏移为350。2019/12/2027生存时间:TTL字段设置了数据报可以经过的最多路由器数量。经过一个路由器，它的值就减去1。当该字段的值为0时，该数据报被丢弃。协议字段:IP数据报的上层携带的协议。报头检查和字段:报头检查和字段是根据IP报头计算的检查和。源IP地址和目的IP地址:每个数据报都包含源IP地址和目的IP地址.任选项是数据报中一个可变长度的可选信息.