CS 图解教程408 考研

4.2 IPv4 编址：分类、子网划分、CIDR 与 NAT

分类的 IP 地址与特殊地址，子网划分与子网掩码，无分类域间路由 CIDR、路由聚合与最长前缀匹配，网络地址转换 NAT。

考查要求 ★★★ 重点掌握 分类 IP 地址特殊 IP 地址子网划分子网掩码CIDR路由聚合最长前缀匹配私有地址NAT

分类的 IP 地址

IP 地址是给连接到因特网上的每台主机（或路由器）的每个接口分配一个在全世界范围内唯一的 32 位标识符。最初采用两级结构：IP 地址 = {<网络号>, <主机号>}。

A 类0网络号主机号0.0.0.0 ~ 127.255.255.255B 类10网络号主机号128.0.0.0 ~ 191.255.255.255C 类110网络号主机号192.0.0.0 ~ 223.255.255.255D 类1110多播地址多播地址 224 ~ 239E 类1111保留保留 240 ~ 255
A、B、C 类为单播地址，网络号分别占 8、16、24 位

特殊用途的 IP 地址：

网络号主机号作为源地址作为目的地址含义
00可以不可本网络上的本主机（如 DHCP 获取地址前）
0host-id可以不可本网络上的某台主机
全 1全 1不可可以在本网络上进行广播（受限广播，路由器不转发）
net-id全 1不可可以对 net-id 上的所有主机进行广播（直接广播）
127任何数（非全 0/全 1）可以可以环回测试
  • 主机号全 0 表示网络本身，主机号全 1 表示本网络的广播地址，这两个地址都不能分配给主机；
  • 私有 IP 地址（只用于内部网络，路由器对目的地址是私有地址的分组一律不转发）：A 类 10.0.0.0/8、B 类 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255、C 类 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255。
类别最大可用网络数每个网络中的最大主机数
A27−22^7 - 2224−22^{24} - 2
B214−12^{14} - 1216−22^{16} - 2
C221−12^{21} - 128−22^8 - 2

子网划分与子网掩码

两级 IP 地址的空间利用率很低，也不够灵活。从 1985 年起，在 IP 地址中又增加了一个”子网号字段”，使两级 IP 地址变成了三级：IP 地址 = {<网络号>, <子网号>, <主机号>}。

  • 子网划分纯属一个单位内部的事情，单位对外仍然表现为没有划分子网的网络；
  • 从主机号借用若干个比特作为子网号，当然主机号也就相应减少了相同的比特，三级 IP 地址的网络号是不变的；
  • 凡是从其他网络发送给本单位某台主机的 IP 分组，仍然是根据 IP 分组的目的网络号，先找到连接到本单位网络上的路由器，然后该路由器在收到 IP 分组后，按目的网络号和子网号找到目的子网，最后把 IP 分组直接交付给目的主机。

子网掩码是一个与 IP 地址相对应的、长 32 位的二进制串，它由一串 1 和跟随的一串 0 组成：1 对应于 IP 地址中的网络号及子网号，0 对应于主机号。IP 地址与子网掩码逐位相与，就得到网络地址。

计算器子网掩码与 CIDR
IP 地址：192.168.5.7711000000101010000000010101001101子网掩码：255.255.255.24811111111111111111111111111111000网络地址：192.168.5.7211000000101010000000010101001000网络前缀 29 位
子网掩码：255.255.255.248
网络地址（主机号全 0）：192.168.5.72/29
广播地址（主机号全 1）：192.168.5.79
可分配主机地址：192.168.5.73 ~ 192.168.5.78
可分配地址数 = 23 − 2 = 6
分类编址下属于：C 类（110 开头，默认 /24），私有地址 192.168.0.0/16
拖动前缀长度滑块：前缀每增加 1 位，子网数翻倍、每个子网的地址数减半。IP 地址与掩码逐位相"与"即得网络地址。

无分类域间路由 CIDR

CIDR 是在变长子网掩码的基础上提出的一种消除传统 A、B、C 类网络划分，并且可以在软件的支持下实现超网构造的一种 IP 地址的划分方法。

  • 消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，因而可以更有效地分配 IPv4 的地址空间。使用”网络前缀”代替网络号和子网号：IP 地址 = {<网络前缀>, <主机号>}，记为”斜线记法”，如 128.14.32.5/20；
  • 将网络前缀都相同的连续 IP 地址组成”CIDR 地址块”。一个 CIDR 地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合称为路由聚合（构成超网），它使得路由表中的一个项目可以表示多个原来传统分类地址的路由，有利于减少路由器之间的路由选择信息的交换，从而提高网络性能。

最长前缀匹配：使用 CIDR 时，路由表中的每个项目由”网络前缀”和”下一跳地址”组成。在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果，此时应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由，因为网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体。

交互实验最长前缀匹配
目的地址11000000101010000001010010000010
192.168.16.0/2011000000101010000001000000000000匹配（20 位）
192.168.20.0/2211000000101010000001010000000000匹配（22 位）
192.168.20.0/2411000000101010000001010000000000✔ 最长匹配 → R3
192.168.0.0/1611000000101010000000000000000000匹配（16 位）
0.0.0.0/000000000000000000000000000000000匹配（0 位）
路由表（每行：前缀/长度 下一跳，可编辑）
目的地址与 5 个表项匹配（目的地址的前 n 位与表项网络前缀相同），选择前缀最长的 192.168.20.0/24，转发给 R3。默认路由 0.0.0.0/0 能匹配任何地址，但前缀最短，优先级最低。

网络地址转换 NAT

NAT 是指通过将专用网络地址（如 Intranet）转换为公用地址（如 Internet），从而对外隐藏内部管理的 IP 地址。它使得整个专用网只需要一个全球 IP 地址就可以与因特网连通，由于专用网本地 IP 地址是可重用的，所以 NAT 大大节省了 IP 地址的消耗。同时，它隐藏了内部网络结构，从而降低了内部网络受到攻击的风险。

内网主机192.168.0.3:3345NAT 路由器公网 138.76.29.7外网服务器128.119.40.186:80源 192.168.0.3:3345源 138.76.29.7:5001NAT 转换表138.76.29.7:5001 ↔ 192.168.0.3:3345（NAPT：用”IP + 端口号”区分内网主机）
出去时把源地址（和端口）换成公网的；回来时按转换表把目的地址换回内网的

使用 NAT 时需要在专用网连接到因特网的路由器上安装 NAT 软件，NAT 路由器至少有一个有效的外部全球 IP 地址。普通路由器在转发 IP 数据报时，不改变其源 IP 地址和目的 IP 地址；而 NAT 路由器在转发 IP 数据报时，一定要更换其 IP 地址（转换源 IP 地址或目的 IP 地址）。普通路由器仅工作在网络层，而 NAT 路由器转发数据报时需要查看和转换传输层的端口号。

即时练习

即时练习6 题
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  1. 1
    （408 真题）某网络的 IP 地址空间为 192.168.5.0/24，采用定长子网划分，子网掩码为 255.255.255.248，则该网络中的最大子网个数、每个子网内的最大可分配地址个数分别是（　）。
  2. 2
    （408 真题）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（　）。
  3. 3
    （408 真题）某主机的 IP 地址为 180.80.77.55，子网掩码为 255.255.252.0。若该主机向其所在子网发送广播分组，则目的地址可以是（　）。
  4. 4
    某子网的子网掩码为 255.255.255.224，一共给 4 台主机分配了 IP 地址，其中一台因 IP 地址分配不当而存在通信故障。这一台主机的 IP 地址是（　）。
  5. 5
    下列 IP 地址中，只能作为目的地址而不能作为源地址的是（　）。
  6. 6
    下列关于 NAT 的说法中，错误的是（　）。
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