网络编址—ipv4

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1、网络编址ipv4 编址是网络层协议的关键功能，可使位于同 一网络或不同网络中的主机之间实现数据通信 。Internet 协议第四版 (IPv4)为传送数据的 数据包提供分层编址。 设计、实施和管理有效的 IPv4 编址规划能 确保网络高效率地有效运行。 网络中的每台设备都必须具有唯一定义。在 网络层，需要使用通信两端系统的源地址和 目的地址来标识该通信的数据包。采用 IPv4 ，就意味着每个数据包的第 3 层报头中都有 一个 32 位源地址和一个 32 位目的地址。 数据网络中以二进制形式使用这些地址。设 备内部则运用数字逻辑解释这些地址。但是 在以人为本的网络中，我们却难以解读 32 位字符

2、串，要记住它更是难上加难。因此， 我们使用点分十进制格式来表示 IPv4 地址 。点分十进制 以点分十进制表示 IPv4 地址的二进制形式 时，用点号分隔二进制形式的每个字节（称 为一个二进制八位数）。之所以称为二进制 八位数，是因为每个十进制数字代表一个字 节，即 8 个位。 例如，地址 10101100000100000000010000010100的点分 十进制表示为：172.16.4.20 请注意，设备使用的是二进制逻辑。采用点分 十进制是为了方便人们使用和记忆地址。网络部分和主机部分 每个 IPv4 地址都会用某个高阶比特位部分来代表网络地址 。在第 3 层，我们将网络 定义为网络地

3、址部分的比特模式 相同的一组主机。 尽管全部 32 个比特位定义的都是 IPv4 主机地址，但我们 将其中数量不等的比特位称为该地址的主机部分。此主机 部分中使用的比特位数决定了网络中可以容纳的主机数量 。 例如，倘若某个特定网络至少需要容纳 200 台主机，则需 要在主机部分使用足够的比特位才能代表至少 200 个不同 的比特模式。 要为 200 台主机分配唯一地址，需要使用最后一个二进制 八位数的全部八个比特位。使用 8 个位共计可得到 256 个 不同的比特模式。这表示前三个二进制八位数的所有比特 位将代表网络部分。Ipv4网络中的地址类型每个 IPv4 网络的地址范围内都有三种类型的地

4、址： 网络地址 - 指代网络的地址 广播地址 - 用于向网络中的所有主机发送数据的特殊地 址 主机地址 - 分配给网络中终端设备的地址 网络地址 网络地址是指代网络的标准方式。例如，我们可以称图 中所示的网络为“10.0.0.0 网络”。10.0.0.0 网络中所有 主机的网络位相同。 在网络的 IPv4 地址范围内，最小地址保留为网络地址。 此地址的主机部分的每个主机位均为 0。广播地址 IPv4 广播地址是每个网络都有的一个特殊地址，用 于与该网络中的所有主机通信。要向某个网络中的 所有主机发送数据，主机只需以该网络广播地址为 目的地址发送一个数据包即可。 广播地址使用该网络范围内的最大地

5、址。即主机部 分的各比特位全部为 1 的地址。在有 24 个网络位 的网络 10.0.0.0 中，广播地址应为 10.0.0.255。此 地址也称为定向广播. 主机地址 每台终端设备都需要唯一的地址才能向该主机传送 数据包。在 IPv4 地址中，我们将介于网络地址和 广播地址之间的值分配给该网络中的设备。网络前缀 重要问题在于：如何才能知道有多少位代表网络部分， 多少位代表主机部分？表示 IPv4 网络地址时，我们在 网络地址后添加一个前缀长度。前缀长度指示地址的网 络部分的比特位数。例如在 172.16.4.0 /24 中，/24 就 是前缀长度，它告诉我们前 24 位是网络地址。这样， 剩

6、下的 8 位，即最后一个二进制八位数就是主机部分。 后面我们将详细了解指定网络设备 IPv4 地址的网络部 分的另一个实体：子网掩码。子网掩码与地址一样有 32 个位，分别用 1 和 0 来表示地址的哪些位是网络位 ，哪些位是主机位。 分配给网络的前缀并不一定都是 /24，具体取决于网络 中的主机数量。使用不同的前缀数字会改变每个网络的 主机范围和广播地址。 请注意，前缀长度不同时，网络地址可以保持不变，但 主机范围和广播地址会发生变化，网络中可以分配到地 址的主机数量也会发生变化。参阅图中 172.16.20.0 /25 网络的地址分配示例。 在第一个框中，我们看到的是网络地址的表示。其前缀

7、为 25 位，因此最后 7 位是主机位。为了表示该网络地址，这 些主机位全部为 0。这样，该地址的最后一个二进制八位 数就是 0，因此网络地址就是 172.16.20.0 /25。 在第二个框中，我们看到的是最小主机地址的计算。最小主 机地址始终比网络地址大 1。在本例中，七个主机位的最后 一位变成了 1。由于主机地址的最低位设置为 1，因此最小 主机地址就是 172.16.20.1。 第三个框显示了该网络广播地址的计算。这样，此网络中使 用的全部七个主机位均为 1。通过计算得出最后一个二进 制八位数为 127。这说明广播地址是 172.16.20.127。 第四个框显示了最大主机地址的计算。

8、网络的最大主机地址 始终比广播地址小 1。这表示最低主机位为 0 而所有其它 主机位均为 1。正如图中所示，如此计算后得到此网络的 最大主机地址 172.16.20.126。 尽管计算本示例时展开了所有二进制八位数，但实际只需要 查看划分给主机的二进制八位数的内容。通信类型单播、广播、组播在 IPv4 网络中，主机可采用以下三种方式之一来通 信： 单播 - 从一台主机向另一台主机发送数据包的过程 广播 - 从一台主机向该网络中的所有主机发送数据 包的过程 组播 - 从一台主机向选定的一组主机发送数据包的 过程 这三种通信类型在数据网络中的用途各不相同，不 过在这三种类型中，源主机的 IPv4

9、地址都会被作 为源地址放入数据包报头中。单播通信 在客户端/服务器网络和点对点网络中，主机与主机 之间的常规通信都使用单播通信。单播数据包使用 目的设备的主机地址作为目的地址并且可以通过网 际网络路由。而广播和组播则使用特殊的地址作为 目的地址。由于要使用这些特殊地址，因此广播通 常仅限于本地网络。组播通信的范围可以限于本地 网络，也可以通过网际网络路由。 在 IPv4 网络中，用于终端设备的单播地址称为主 机地址。单播通信使用分配给两台终端设备的主机 地址作为源 IPv4 地址和目的 IPv4 地址。在封装过 程中，源主机在单播数据包报头中添加自己的 IPv4 地址作为源主机地址，添加目的主

10、机的 IPv4 地址 作为目的地址。使用单播数据包的通信可以用相同 的地址通过网际网络转发。广播传输 由于广播通信用于向网络中的所有主机发送数据 包，因此数据包使用的是特殊的广播地址。当主 机收到以广播地址为目的地址的数据包时，主机 处理该数据包的方式与处理单播数据包的方式相 同。 广播传输用于获取地址未知的特定服务/设备的 位置，也可在主机需要向网络中所有主机提供信 息时使用。 当某台主机需要信息时，该主机会向广播地址发送 查询请求。位于该网络中的所有主机都会接收并处 理此查询。如果主机有所请求的信息，这些主机将 做出响应，通常会使用单播。 同样，当主机需要向网络中的主机发送信息时，也 会创

11、建和发送有该信息的广播数据包。 广播和单播的不同之处在于，单播数据包可以通过 网际网络路由，而广播数据包通常仅限于本地网络 。此限制取决于该网络边界路由器的配置以及广播 的类型。广播有两类：定向广播和有限广播。定向广播 定向广播是将数据包发送给特定网络中的所有主机。此类广播 适用于向非本地网络中的所有主机发送广播报文。例如，网络 外部的主机要与 172.16.4.0 /24 网络中的主机通信，数据包的 目的地址应为 172.16.4.255。尽管路由器在默认情况下并不转 发定向广播，但可对其进行此配置。 有限广播 有限广播只限于将数据包发送给本地网络中的主机。这些数据 包使用目的 IPv4 地

12、址 255.255.255.255。路由器不转发此广播 报文。发往有限广播地址的数据包只会出现在本地网络中。因 此，IPv4 网络也称为广播域，路由器则是广播域的边界。 例如，172.16.4.0 /24 网络中的主机将使用目的地址为 255.255.255.255 的数据包向所在网络中的所有主机广播。 正如前面学到的，作为广播的数据包不仅会占用网络中的资源 ，而且会迫使该网络中的每台接收主机处理该数据包。因此， 广播通信应加以限制，以免对网络或设备的性能造成负面影响 。因为路由器可分隔广播域，所以可以将广播流量过大的网络 划分成多个子网来提高网络性能。组播传输 组播传输旨在节省 IPv4 网

13、络的带宽。主机通过它可以向选 定的一组主机发送一个数据包，从而减少了流量。如果使用 单播通信与多台目的主机通信，源主机需要向每台主机逐个 发送数据包。但如果使用组播传输，源主机发送一个数据包 即可与成千上万台目的主机通信。 组播传输包括： 视频和音频分发 按路由协议交换路由信息 软件分发 新闻供稿 组播客户端 要接收特定组播数据的主机称为组播客户端。组播客户端使 用客户端程序启动的服务来加入组播组。 每个组播组由一个 IPv4 组播目的地址代表。当 IPv4 主机 加入组播组后，该主机既要处理目的地址为此组播地址的数 据包，也要处理发往其唯一单播地址的数据包。不同用途的地址 1 保留的ipv4

14、地址范围 以点分十进制格式表示，IPv4 地址范围从 0.0.0.0 到 255.255.255.255。正如我们已经了解的，这些地址不能全 部用作单播通信的主机地址。 实验地址 为特殊用途保留的一个主要地址块是范围从 240.0.0.0 到 255.255.255.254 的 IPv4 实验地址。目前，这些地址列为 留给以后使用的地址，这表示它们可以转换为可用地址。虽 然目前还不能在 IPv4 网络中使用这些地址，但它们可以用 于研究或实验。 组播地址 为特殊用途保留的另一个主要地址块是范围从 224.0.0.0 到 239.255.255.255 的 IPv4 组播地址。此外，组播地址 范

15、围还细分为不同的地址类型：保留的链路本地地址和全局 范围地址。另一种组播地址是管理范围地址，亦称有限范围 地址。 IPv4 组播地址 224.0.0.0 到 224.0.0.255 是保留的链 路本地地址。这些地址应该用于本地网络中的组播组 。传输发送到这些目的地址的数据包时，生存时间 (TTL) 值始终为 1。因此，连接到本地网络的路由器 绝对不会转发此类数据包。保留的链路本地地址通常 用于以组播传输来交换路由信息的路由协议中。 全局范围地址从 224.0.1.0 到 238.255.255.255，可用 于通过 Internet 发送组播数据。例如，224.0.1.1 保 留供网络时间协议

16、 (NTP) 同步网络设备的计时时钟。 主机地址 排除为实验地址和组播地址保留的范围后，剩下的地 址范围从 0.0.0.0 到 223.255.255.255，可供 IPv4 主 机使用。不过，已经为特殊用途保留的许多地址也在 此范围内。2 公有地址和私有地址 虽然大多数 IPv4 主机地址是公有地址，指定用于 可以通过 Internet 访问的网络中，但也有一些地址 块用于需要限制或禁止 Internet 访问的网络中。此 类地址称为私有地址。私有地址 私有地址块是： 10.0.0.0 到 10.255.255.255 (10.0.0.0 /8) 172.16.0.0 到 172.31.255.255 (172.16.0.0 /12) 192.168.0.0 到 192.168.255.255 (192.168.