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深入解析IP地址分类与子网划分技术:网络ID与主机ID的区别与作用

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发表于 2025-2-25 17:33:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    网段可以理解为ip地址。

    ip 地址存在有类和无类之分。有类的存在是为了便于进行分类管理,然而它存在着一个缺点,那就是利用率不高。无类具备 vlsm 技术,能够更好地提高利用率。

    ip 包含网络标识符和主机标识符。网络标识符用于表示同一网络段类。主机标识符用于表示主机标识。

    子网:

    可用子网划分技术把有类地址块分割成多个小地址块,这些小地址块可供同一网域内的不同网段使用。

    IP 子网划分意味着将有类 IP 地址的部分主机位与网络 ID 进行合并,这样就在 IP 地址类别里增添了另一个层级。这个被扩展后的网络 ID 被称作子网号或者 IP 子网。

    IP 编址的概念

    IP 协议的关键是编址。在 TCP/IP 协议栈中,存在一个通向底层(物理层和数据链路层)的网络接口层,IP 协议的介质无关性依靠的是该层。IP 协议能被人们广泛接受,其中介质无关性可能是重要原因之一。IP拥有一套编址方案,这套方案独立于用于互连网络设备的局域网(LAN)或广域网(WAN)介质。这表明它具有介质无关性的架构。所以,IP能够在由各种不同介质构成的网络基础设施上成功运行。IP 协议栈的这种灵活性以及其简单性,是促使该协议被广泛使用的主要原因。

    IP 编址的原理在于,要为网络设备的每个网络接口(也就是网卡)分配地址,这采用的是基于链路的地址分配方法。而不是为整台设备分配单一地址,那是基于主机的地址分配方法。设备的各个接口是与名为子网络(或者子网)的网络链路相连接的,并且设有子网地址。接口的 IP 地址是从其直连链路的子网地址空间中进行分配的。基于链路的地址分配方法有一个优点,那就是路由器只要跟踪 IP 路由表中的 IP 子网,就可以汇总路由信息,并且不需要追踪到网络中的每一台主机。这种方法在像以太网这样的广播链路网络环境中会很高效,因为在这类网络环境中会同时连接多台设备。在以太网络中运行 IP 时,会借助地址解析协议(ARP),把直连主机的 IP 地址解析成相应的数据链路层地址。

    目前,IP 地址分为两类,分别是 IPv4 地址和 IPv6 地址。在 IPv6 尚未正式启用之时,目前正在使用的是 IPv4 地址,它用 32 位来表示。确切地说,32 位的编址方案能够提供多达 232 个( 个)独一无二的主机地址。全球规模在不断扩张。32 位的 IPv4 编址方案。此方案已不能满足未来的发展。于是 128 位的 IPv6 编址方案应运而生。

    下面我们将介绍IPv4编制有关的主题:

    · IPv4 地址类别;

    ·私有 IPv4 地址空间;

    ·IPv4 子网划分和可变长子网掩码;

    ·无类别域间路由。

    01

    IPv4 地址类别

    如前所述,IPv4 地址的 32 位编址方案能够容纳大量的主机地址。然而,IP 编址方案是以链路为基础的,它要求网络链路与一组 IP 地址相联系,并且与链路直接相连的主机设有特定的 IP 地址。这组 IP 地址被称作地址前缀,通俗地称为 IP 网络号(IP )。

   


    起初,在定义 IP 网络号时,情况可以说是界限分明的——有着严格的类别差异。将 IP 地址进行分类,其用意在于“划分”出能够适配各种数量级主机的 IP 地址群组,以此来提升 IP 地址空间的分配效率。如此一来,IP 地址就能依据链路上的主机数量而“专项专用”。对 IP 地址进行分类有另外一项好处。这项好处是能让地址分配过程变得更简单,也更容易控制。IP 地址分为 A、B、C、D、E 这 5 大类。这些类别是由 IP 地址第一字节的几个最高位来定义和区分的。

    各类地址都包含若干个 IPv4 地址子网,并且每个子网都能够容纳一定数量的主机。其中,表 1 - 1 所列出的是 5 类 IPv4 地址。

    从表 1 - 1 能够看出,IP 地址首字节的置位方式存在差异。这种差异导致与之相对应的地址类别以及地址范围也不一样。

    这 5 类地址中,A 类地址属于单播地址,用于实现单一信源与单一信宿之间的通信;B 类地址属于单播地址,用于实现单一信源与单一信宿之间的通信;C 类地址属于单播地址,用于实现单一信源与单一信宿之间的通信。D 类地址专为 IP 多播应用而预留,多播即单一信源与多个信宿之间的通信。E 类地址是出于实验目的而做预留。人们把 32 位 IP 地址进一步划分为两个大块,一个是网络标识符(网络 ID),另一个是主机标识符(主机 ID),这样做是为了让各类单播地址(A、B、C 类)所能容纳的主机尽可能的多,情况如下所示。

    · A 类地址: 8位网络 ID, 24位主机ID。

    · B 类地址:16位网络 ID,16位主机ID。

    · C 类地址:24位网络 ID, 8位主机ID。

    图 1-2 展示了 32 位 A 类地址的划分情形。它的首字节中最高位是固定的 0,整个首字节被用来表示网络 ID,接着的 3 字节则用于表示主机 ID。

    这一理念是按照严格的界限给 IP 地址分类,也被称为有类 IP 地址划分。人们利用掩码去“圈定”IP 地址里的主机 ID 和网络 ID。IP 地址的结构经过多次改进后,才演变成了现在的模样,并且这些改进让 IP 地址分配在实际战斗中更加高效。

    IP 地址为了易于识别,采用点分十进制的形式来表示。在点分十进制表示中,32 位的 IP 地址按 8 位一组进行划分,每组之间用点号隔开。接着,把每个字节(八位组)转换为等值的十进制数。表 1 - 1 的最后一列显示的是各类 IP 地址类所对应的地址范围的点分十进制表示。

    IPv4 地址空间因类编址的引入得到了一定程度的利用。然而,地址分类界限过于严格,这使得 IP 地址空间的使用效率较低。基于此情况,有类编址逐渐被无类编址所取代,无类编址更加高效且更加灵活。

    使用无类编址时,某个 IP 网络号能够用特定长度的前缀来进行表示。这种前缀表示法不但更加灵活,而且还能让 IPv4 地址空间得到更充分的利用。以 A 类地址这一巨大的有类地址块作为例子。在使用有类编址方案时,一个 A 类地址块仅仅能分配给一个组织。然而,采用无类编址方案的话,就可以把它分割成多个小地址块,然后分配给多个组织。与之相反的是,无类编址方案还能够对多个 C 类地址块进行聚合处理,而不需要“分别对待”。为了节省资源,路由器都会对路由表中的路由进行相应处理。

    做地址聚合,这种路由聚合方式被称作无类别域间路由(CIDR)。

    02

    IPv4 私有地址空间

    人们预留了 IPv4 单播地址空间中的某些地址块,并把它们指定为私有地址。这些私有地址空间是专门为那些不与公网相连的网络预留的。以下这些地址块被定义为 IPv4 私有地址:

    · 10.0.0.0~10.255.255.255;

    · 172.16.0.0~172.31.255.255;

    192.168.0.0 到 192.168.255.255 这个范围。

   


    包含已预留以及已分配的相关参数的通用信息,其中包含已预留的 IP 地址信息。

    03

    子网划分和可变长子网掩码

    使用网络地址转换(NAT)技术后,启用了 IPv4 私有地址空间的私有网络能够与公网相连接。

    在 CIDR 诞生之前,每个有类网络仅能分配给一个组织。在一个组织内部,能够运用子网划分技术,把有类地址块划分成多个小地址块,这些小地址块可供同一网域内的不同网段去使用。

    IP 子网划分就是将有类 IP 地址的部分主机位与网络 ID 合并。这样就在 IP 地址类别中新增了一个层级。经过扩展后的网络 ID 被称作子网号或 IP 子网。例如,可以借用 B 类网络地址主机 ID 字段两字节中的一个字节,以此创建出 255 个子网,而用剩下的那个字节来表示每个子网的主机 ID,就像图 1-3 所展示的那样。

    执行 IP 子网划分时,会对有待分配的有类网络的掩码进行调整。这样做是为了反映出新创建子网的网络号和主机号。图 1-4 显示了在划分 B 类地址时,新创建的子网以及与之相对应的掩码。在掩码中,一连串的 1 表示网络位,一连串的 0 表示主机位。通常,在书写 IP 地址时,可以使用前缀长度表示法,也就是指明子网掩码中 1 的个数。例如,可以将 172.16.1.0 255.255.255.0 写成 172.16.1.0 后面跟着 /24 。

    类编址方案支持子网划分,能满足地址块内的高效地址分配需求。在有类网络环境中,要求所使用的子网掩码一致,这是硬性规定。VLSM 是更深层次的子网划分,它允许同一(主类)网络号“配搭”不同的子网掩码,从而可根据网域内不同网段的使用方式,更灵活地分配不同大小的 IP 地址块。例如,借助 VLSM ,能够将 B 类地址 172.16.0.0/16 划分成多个子网掩码为 24 位的“小型”子网。也就是说,把这个 B 类地址里的 8 位主机位当作了子网位。然后,可以对新生成的首个子网 172.16.1.0/24 进行进一步的子网划分。比如,可以再次利用其 8 位主机位中的 4 位作为子网位。这样,就划分出了更小的地址块,像 172.16.1.0/28、172.16.1.16/28、172.16.1.32/28 等。无类网络环境支持 VLSM。在无类网络环境中,运行于路由器上的路由协议以及相关路由软件都支持无类编址。图 1-5 演示了用 VLSM 实施子网划分的方式。

    04

    无类别域间路由

    VLSM 有助于提升已分配地址块的 IP 地址使用效率。然而,它无法解决为各个组织有效分配 IP 地址的难题。许多组织被分配了多个 C 类网络,而非单个 B 类网络。这会使有类 IP 地址块的使用效率很低。同时,还会导致全球路由表的有类路由条数快速增长。这样一来,IP 地址会很快被用完。在这种情况下,无类别域间路由(CIDR)技术就产生了。

    CIDR 能够支持任意长度的 IP 网络号,将有类网络中网络号与主机号“界限分明”的概念完全舍弃了。图 1 - 6 把 CIDR 的两大优点列举了出来。在打破地址类别这一概念之后,就能够很便捷地用 192.168.0.0/16 来表示从 192.168.0.0 一直到 192.168.255.0 这样一个个分散的 C 类地址块。具体而言,这意味着上述 256 个“老式”的 C 类地址块能够聚合为一个单一的地址块。这类地址块也被称作 CIDR 地址块或者超网。

    CIDR 能够非常灵活地对(IP 地址中的)网络号进行子网划分。划分出来的子网可以分配给不同的组织。这样就能实现域间路由信息的交换。比如,将地址块 131.108.0.0/16 划分成 4 个“二级”地址块,分别是 131.108.0.0/18、131.108.64.0/18、131.108.128.0/18 和 131.108.192.0/18,接着把它们分配给 4 个不同的组织。

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