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第五章 网络互连技术（二）

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5.1 网络互连需要解决的问题5.2 地址5.3 路由技术5.4 交换技术

第五章 网络互连技术

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5.2 地址

1. IP地址2. 子网及其掩码3. IP 地址与物理地址的转换4. IPv4地址空间不足问题

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1. IP 地址

1 ）什么是IP地址2 ） IP地址的两种表示方法3 ） IP地址的含义4 ）特殊地址5 ） IP地址的分类6 ） IP地址的特性

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1 ）什么是 IP 地址电话号码

在全球电话网上，可唯一标识的电话号码

IP 地址

在全球互联网上，可唯一标识的主机地址

6278

6500

0203

81210110

º ÅÂë ¿ÉÇø· Ö· ¶Î §

0203 ѧУ

6278 0203 ±±¾©

010-6278 0203 Öй ú

86-010-6278 0203 ÊÀ½ç

Internet

210.39.15.15

202.112.0.36

202.112.0.33R

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2 ） IP 地址的两种表示方法• 32 位二进制数码• 4 个用圆点隔开的十进制数例： 十进制 202. 112. 0. 36

计算机自动转换二进制 11001010

01110000

00000000

00100100

11001010 01110000 00000000 00100100

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电话号码 高位 低位 86 － 10 － 6278 － 0203

国家 城市

市内电话局 局内电话机

3 ） IP 地址的含义IP 地址

高位 低位212. 111. 44. 136

网络地址 主机地址 （ netid ） （ hosti

d ）区分不同的网络

在同一网络中区分不同的主机

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4 ）特殊地址• 回馈地址（ loopback address ）• 网络地址（ network address ）• 广播地址（ broadcast address ）

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回馈地址• 主机将 IP 数据报回传自身的地址

—— IP 地址第一个字节为 127

• 例：– 回送地址为 127.0.0.1

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网络地址• 主机地址部分全部定义为“ 0”

• 用于区分网络• 例：

– 主机 212.111.44.136– 所在网络的地址为 212.111.44.0

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广播地址• 直接广播地址

– 主机地址部分为全“ 1”– 用于向某个网络的所有主机广播– 例：

• 主机 212.111.44.136

• 所在网络的广播地址为 212.111.44.255

• 有限广播地址（ 255.255.255.255 ）– 在未知本网地址情况下用于本网广播

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5 ） IP 地址的分类• A类 大型网络• B类 中型网络• C类 小型网络

• D类 用于 multicast

• E类 用于试验目的

IP地址分类比较

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31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

• 前 1 字节标识网络地址，后 3 字节标识主机地址

• 每个网络最多可容纳（ 2 － 2 ）台主机• 从高位起，前 1 位为“ 0” ，第 1 字节用十进制表示的取

值范围为“ 0 ～ 126”

• 具有 A 类地址特征的网络总数为 127 个

0 ～ 127 0 ～ 255 0 ～ 255 0 ～ 255

A 类地址

网络地址 主机地址

0

24

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A 类地址举例

十进制 二进制 18.x.x.x 00010010 xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx

相当于 256 个 B 类地址

18.1.0.0

18.255.0.0

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31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

• 前 2 字节标识网络地址，后 2 字节标识主机地址

• 每个网络最多可容纳（ 2 － 2 ）台主机• 从高位起，前 2 位为“ 10” ，第 1 字节用十进制表示的取

值范围为“ 128 ～ 191”

• 具有 B 类地址特征的网络总数为 2 个

128 ～ 191 0 ～ 255 0 ～ 255 0 ～ 255

B 类地址

网络地址 主机地址

1 0

14

16

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B 类地址举例

十进制 二进制166.111.x.x 10100110 01101111 xxxxxxxx xxxxxxxx

162.105.x.x 10100010 01101001 xxxxxxxx xxxxxxxx

166.111.0.254166.111.0.2166.111.0.1

相当于 256 个 C 类地址

166.111.1.1

166.111.0.3

166.111.255.1

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31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

前 3 字节标识网络地址，后 1 字节标识主机地址• 每个网络最多可容纳 254 台主机• 从高位起，前 3 位为“ 110” ，第 1 字节用十进制表示

的取值范围为“ 192 ～ 223”

• 具有 C 类地址特征的网络总数为 2 个

C 类地址

192 ～ 223 0 ～ 255 0 ～ 255 0 ～ 255

网络地址主机地址

1 1 0

21

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C 类地址举例网络地址： 212.111.1.0

广播地址： 212.111.1.255

十进制 二进制202.112.1.x 11001010 01110000 00000001 xxxxxxxx

210.39.15.x 11010010 00100111 00001111 xxxxxxxx

210.32.128.x 11010010 00100000 10000000 xxxxxxxx

212.111.1.254212.111.1.3212.111.1.2212.111.1.1

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IP 地址分类比较

类别 网络数主机数/ 网络

最高字节取值范围

网络规模

A类 127 1600万 0 - 126 大型

B类 1. 6万 6. 5万 128 - 191 中型

C类 200万 254 192 - 223 小型

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31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

• 组播通信地址（ multicast address ）• 从高位起，前 4 位为“ 1110” ，第 1 字节用十进制表

示的取值范围为“ 224 － 239” ，用于标识 multicast通信地址

• 后 28 位用于区分不同的 multicast 组

D 类地址

Multicast 标识 Multicast Group 标识

1 1 1 0

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IP 网络通信方式• 单播通信（ unicasting ）

– 将数据只发送到一台主机– 目的地址为宿端主机的 IP 地址

• 广播通信（ broadcasting ）– 将数据发送给某个网络 / 子网的所有主机– 目的地址为该网络 / 子网的广播地址

• 组播通信（ multicasting ）– 将数据发送给某组主机（减少网络通信流量）

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31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

• 从高位起，前 5 位为“ 11110” ，第 1 字节用十进制表示的取值范围为“ 240 － 247” ，用于标识 E 类地址

• 后 27 位留作它用

E 类地址1 1 1 1 0

E 类地址标识

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6 ） IP 地址的特性• 提供全网统一、有效的地址模式

– 屏蔽不同物理网络的地址差异– 为 IP 层的“尽力传递”提供基础

• 地址结构对应网络的层次结构Internet

子网 m子网 1

网络 n网络 1

主机 主机主机主机主机 主机

130.1.0.0

130.n.*.*130.1.m.11

130.1.1.1

130.1.m.0

130.1.1.0130.n.0.0

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2. 子网及其掩码

1 ）子网2 ）子网掩码

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1 ）子网

• 什么是子网• 为什么要划分子网• 如何划分子网• 子网地址特性

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什么是子网（ subnet ）• 将网络进一步划分为独立的组成部分，每个部分称为

这一网络（或更高一级子网）的子网。

校园网

图书馆子网 信息学院子网 经管学院子网

计算机系子网 自动化系子网电子系子网

主机 主机 主机 主机 主机 主机

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为什么要划分子网• 提高系统的可靠性

– 防止全网通信瘫痪• 改进系统性能

– 克服简单局域网的技术条件限制• 增强系统的安全保障

– 设置不同的访问权限• 便于系统的运行维护

– 故障诊断和隔离

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如何划分子网

• 根据地理分布特点划分– 易于组网技术实现

• 楼群内采用局域网技术构成子网• 楼群间选择合适的传输媒体和互连设备使不同子网互连

– 节省经费• 根据网络应用特点划分

– 将共享相同网络资源的主机划分为同一子网，减少子网间的网络传输流量，提高系统性能

– 将具有相同安全密级程度的主机划分为同一子网，保障系统的安全

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子网地址特性

主机地址网络地址

网络地址 主机地址子网地址

不含子网的 IP 地址

含子网的 IP 地址

例：将一个 B 类网络划分成 256 个子网166. 111 . 255 . 66

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2 ）子网掩码 引入子网划分（ subneting ）和超网合并（ superneting ）思想后，以前的 A/B/C 地址分类意义已不大，不过可作为缺省的子网划分依据。以后规定：IP 地址 = 子网地址 ＋ 主机地址子网地址 = 网络地址 ＋ 网络内子网地址

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掩码的定义和作用

掩码 mask

• 子网掩码的定义• 掩码应用举例• 掩码的作用

信阳师范学院计算机系 32

每个子网定义一个 32 位二进制数：网络地址和网络内子网地址部分对应位置

“ 1” ，主机地址部分对应位置“ 0” 。

31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

例： 网络地址： 130. 39. 0. 0

子网地址： 130.39.34.0

子网掩码： 255.255.255.0

主机地址网络地址

子网掩码的定义

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

网络内子网地址

1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

信阳师范学院计算机系 33

掩码应用举例 主机 IP 地址： 202.112.32.62

缺省子网掩码： 255.255.255.0 （ C 类地址）实际子网掩码： 255.255.255.224

因此： 网络地址： 202.112.32.0 （无实际意义） 子网地址： 202.112.32.32

广播地址： 202.112.32.63

另一种表示法： 202.112.32.62/27

信阳师范学院计算机系 34

掩码的作用• 获取主机的网络地址部分，区分主机通信

的不同情况，选择路径。• 主机之间通信的两种情况

– 同一子网内两台主机间的相互通信– 不同子网内两台主机间的相互通信– 如何区分两种情况

信阳师范学院计算机系 35

同一子网中的主机之间通信子网地址 210.39.15.0

210.39.15.15 210.39.15.127

源地址 目的地址

发送 接收

210.39.15.255

广播地址

信阳师范学院计算机系 36

不同子网中的主机之间通信子网地址 210.39.15.0

202.112.4.63

目的地址

210.39.15.15

源地址发送

R

210.39.15.32

接收

转发

子网地址 202.112.4.0

210.39.15.255 广播地址

信阳师范学院计算机系 37

如何区分两种情况

设本地主机所在子网地址为 Nx ，子网掩码为 Mx ，远程主机的 IP 地址为 Ay ，再设 Ny=Ay & Mx – 若 Nx==Ny ，则认定远程主机与本地主机在

同一子网上– 若 Nx<>Ny ，则认定远程主机与本地主机不

在同一子网上

信阳师范学院计算机系 38

获取主机 IP 地址的网络地址 (1)

本地主机 IP 地址： 210.39.15.15

网络地址（ Nx ）： 210.39.15.0

本地子网掩码： 255.255.255.0

远程主机 IP 地址： 210.39.15.127

210.39.15.127 11010010 00100111 00001111 01111111

“ 与”255.255.255.0 11111111 11111111 11111111 00000000

得210.39.15.0 11010010 00100111 00001111 00000000

(Ny)

信阳师范学院计算机系 39

获取主机 IP 地址的网络地址 (2)

本地主机 IP 地址： 210.39.15.15

网络地址（ Nx ）： 210.39.15.0

本地子网掩码： 255.255.255.0

远程主机 IP 地址： 202.112.4.63

202.112.4.63 11001010 01110000 00000100 00111111

“ 与”255.255.255.0 11111111 11111111 11111111 00000000

得202.112.4.0 11001010 01110000 00000100 00000000

(Ny)

信阳师范学院计算机系 40

3. IP 地址与物理地址的转换

1 ）什么是物理地址– 物理地址标识举例

2 ）为什么要进行地址转换3 ）如何实现地址转换

信阳师范学院计算机系 41

1 ）什么是物理地址• 定义

– 组成网络的各个站点都具有一个机器可以识别的地址，称为该站点的物理地址（或称硬件地址）。

• 特点– 长度和格式由物理网络的硬件决定，不同网络具有各自的地址定义方式。

– 物理地址不能保证在整个互联网上具有唯一性，但在同一网络上物理地址是唯一的。

信阳师范学院计算机系 42

物理地址的标识举例以太网地址（也称为 MAC 地址）

– 地址长度为 48 位– 以用“：”点开的 6 个 16 进制数表示– 由厂商将地址用硬件赋予每块以太网网卡– 具有全球唯一性例： 08: 00: 20: 0e: 56: 7d

00001000 00000000 00100000 00001110 01010110 01111101

前 24 位用于区分不同的厂商

Sun公司生产的网卡

信阳师范学院计算机系 43

数据链路层

物理层

2 ）为什么要进行地址转换

IP 层

逻辑链路层

物理层

LLC

物理层

MAC

WAN LAN

逻辑链路控制层

介质访问控制层

互联网

物理子网

以 IP 地址为标识，为 IP 分组（ packet ）在互联网上实现各子网间的寻径

以物理地址为标识，为物理帧（ frame ）在具体的各个子网内实现节点间的寻径

信阳师范学院计算机系 44

3 ）如何实现地址转换

地址转换协议– ARP （地址解析协议）

Address Resolution Protocol

IP 地址 MAC 地址– RARP （逆向地址解析协议）

Reserve Address Resolution Protocol

MAC 地址 IP 地址

信阳师范学院计算机系 45

ARP协议的工作原理

Ethernet

主机A

主机E

我是 128.1.2.7 ，谁知道 IP地址为 128.1.2.15 的主机对应的 MAC 地址？

主机 128.1.2.7 ，我是 128.1.2.15 ，我的 MAC 地址是 8:0:20:e:28:ef

听见 / 不回答

听见 / 不回答

听见 / 不回答

听见 / 回答

主机 A 的 ARP 表

IP MAC------------------------------------128.1.2.7 0:a0:24:ec:c1:b4128.1.2.11 0:20:c5:e2:c6:a2

128.1.2.15 8;0:20:e:28:ef

信阳师范学院计算机系 46

Hardware type=1

Protocol type=0800(IP)

Length of hardware address=6 bytes

Length of protocol address=4 bytes

Opcode 1 (ARP Request)

Sender’s HD address= 0:a0:24:ec:c1:b4

Sender’s IP address= 128.1.2.7

Target HD address= ?

Target IP address= 128.1.2.15

ARP/RARP帧Ethernet 报头

Packet 10 arrived at 8:23:43.75

Packet size=42 bytes

Destination=ff:ff:ff:ff:ff:ff

Source= 0:a0:24:ec:c1:b4

Ethertype=0806(ARP)

ARP请求（ Request ）

信阳师范学院计算机系 47

Hardware type=1

Protocol type=0800(IP)

Length of hardware address=6 bytes

Length of protocol address=4 bytes

Opcode 2 (ARP Replyt)

Sender’s HD address= 8:0:20:e:28:ef

Sender’s IP address= 128.1.2.15

Target HD address= 0:a0:24:ec:c1:b4

Target IP address= 128.1.2.7

ARP 回答（ Reply ）

ARP/RARP帧Ethernet 报头

Packet 95 arrived at 8:44:21.15

Packet size=60 bytes

Destination= 0:a0:24:ec:c1:b4

Source= 8:0:20:e:28:ef

Ethertype=0806 (ARP)

信阳师范学院计算机系 48

RARP协议的工作原理

Ethernet

主机 A（无盘）

主机 E（服务器）

我的 MAC 地址是 0:a0:24:ec:c1:b4 ， 谁知道我的 IP 地址？

主机 0:a0:24:ec:c1:b4 ，你的 IP 地址是 128.1.2.7

听见 / 不回答

听见 / 不回答

听见 / 不回答

听见 / 回答

主机 A获得自己的 IP 地址，开始自己的开机过程。

信阳师范学院计算机系 49

RARP请求（ Request ）

ARP/RARP帧Ethernet 报头

Packet 10 arrived at 18:23:43.75

Packet size=42 bytes

Destination=ff:ff:ff:ff:ff:ff

Source= 0:a0:24:ec:c1:b4

Ethertype=8035 (RARP)

Hardware type=1

Protocol type=0800(IP)

Length of hardware address=6 bytes

Length of protocol address=4 bytes

Opcode 3 (RARP Request)

Sender’s HD address= 0:a0:24:ec:c1:b4

Sender’s IP address= 0.0.0.0

Target HD address= 0:a0:24:ec:c1:b4

Target IP address= ?

信阳师范学院计算机系 50

RARP 回答（ Reply ）

Hardware type=1

Protocol type=0800(IP)

Length of hardware address=6 bytes

Length of protocol address=4 bytes

Opcode 4 (REVARP Replyt)

Sender’s HD address= 8:0:20:e:28:ef

Sender’s IP address= 128.1.2.15

Target HD address= 0:a0:24:ec:c1:b4

Target IP address= 128.1.2.7

ARP/RARP帧Ethernet 报头

Packet 95 arrived at 18:44:21.15

Packet size=76 bytes

Destination= 0:a0:24:ec:c1:b4

Source= 8:0:20:e:28:ef

Ethertype=8035 (RARP)

信阳师范学院计算机系 51

4. IPv4 地址空间不足问题• IPv4 地址空间不足问题的提出• 解决办法

– 内部地址和外部地址的转换– C 类地址的分块使用

• 用变长分块方式分配剩余的 C 类地址• 采用无类域间路由（ CIDR ）技术

– IPV6

信阳师范学院计算机系 52

C 类地址空间的变长分块网络地址

长度主机地址

长度C 类网络

数量容纳主机

数量网络掩码

/24 8 1 256/23 9 2 512/22 10 4 1024/21 11 8 2048/20 12 16 4096/19 13 32 8192/18 14 64 16384/17 15 128 32768

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IPv6 对 IPv4 的改进• 地址空间从 232 增大到 2128

• 加快路由器对分组的处理速度– IP 数据报报头简化– 选项灵活

• 增强安全性• 提供更多的 QoS 标识位

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课程总结• IP 地址

– 含义和表示方法– 分类

• 子网和掩码– 为什么要划分子网– 掩码的定义和作用

• IP 地址与物理地址的转换

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习题

• 5-27

• 5-28

• 列出你用过的主机地址、网络地址、网络掩码和网络广播地址。

• 填写讲稿“ C 类地址空间的变长分块”表格中的网络掩码值。