IP地址及划分子网与VLAN.ppt
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1、第5章 IP地址及划分子网与VLAN,第5章 IP地址及划分子网与VLAN,【学习目标】划分子网与VLAN(虚拟局域网)是网络最基本的应用之一。学习本章后,应能深刻理解IP地址、广播域、冲突域、VLAN基本概念与作用;熟练掌握划分子网方法、可网管交换机与管理计算机连接及使用方法,体验单交换机划分VLAN过程,为将来学习专业核心课程网络组建与互联和高级路由交换技术奠定基础。【重点难点】IP地址结构及特殊IP地址含义;子网及子网掩码基本概念,子网划分方法;VLAN基本概念、可网管交换机与管理计算机连接及使用方法,单交换机划分VLAN方法。,第5章 IP地址及划分子网与VLAN,本章内容5.1 IP
2、地址相关知识5.2 虚拟局域网相关知识5.3 任务案例1划分子网5.4 任务案例2登录可网管交换机5.5 任务案例3单交换机划分VLAN5.6 知识拓展:ARP(地址解析协议)基本知识,5.1 IP地址相关知识,本节概述 计算机网络中,存在着成千上百万台计算机,人们是如何区分网络中的计算机的呢?是通过计算机专用的“身份证号”IP地址。,5.1 IP地址相关知识,本节学习内容5.1.1 IP地址及作用5.1.2 IP地址结构及表示5.1.3 IP地址的分类5.1.4 特殊IP地址5.1.5 子网模式下的IP地址结构5.1.6 什么是子网掩码5.1.7.用子网掩码求出网络ID地址类别与子网掩码关系
3、5.1.9 子网划分方法,5.1 IP地址相关知识,5.1.1 IP地址及作用 为了使接入Internet的众多计算机主机在通信时能够相互识别,接入Internet中的每一台主机都被分配有一个唯一的标识32位二进制地址,该地址称为IP地址(Internet Protocol)。IP地址是通过IP协议来实现的。IPv4(v4是版本号)协议保证了一个IP地址在Internet中对应唯一的一台主机;每台主机都必须有IP地址,每个IP地址都具有唯一性与通用地址格式。所有IP地址都由国际组织NIC(Network Information Center)负责统一分配的,目前全世界共有三个这样的网络信息中心
4、:InterNIC(负责美国及其他地区);ENIC(负责欧洲地区);APNIC(负责亚太地区)。我国申请IP地址要通过APNIC。APNIC的总部设在日本东京大学。,5.1 IP地址相关知识,5.1.2 IP地址结构及表示IP地址的结构 在日常生活中要找某个地方,首先要知道这个地方的地址。实际上地址的表达方式中就包含了某种层次结构。例如,河北工业职业技术学院的地址是“河北省石家庄市红旗大街626号”,该地址所包含的层次结构是:第一层,所在省份河北省;第二层,所在城市石家庄;第三层,所在街道红旗大街;第四层,门牌号626号。类似地,IP地址也采用了层次结构的表达方式。,5.1 IP地址相关知识,
5、5.1.2 IP地址结构及表示IP地址的结构1.IP地址的结构 IP地址结构包含了两方面:网络ID和主机ID,即IP地址=网络ID主机地址 网络ID(又称网络号),用于标识某个网段。在相同的一个网段中,所有IP地址的网络ID都相同。主机ID(又称主机号),用于标识网段内的某个节点。在相同的一个网段中,所有IP地址的网络ID都相同,但所有IP地址的主机ID必须不相同。,5.1 IP地址相关知识,5.1.2 IP地址结构及表示IP地址的结构1.IP地址的结构 说明:“主机ID用于标识网段内的某个节点”,这里的“节点”是指网络内的一个节点,不能简单地理解为是一台计算机。实际上IP地址是分配给计算机网
6、卡的,一台计算机可以有多个网卡,就可以有多个IP地址,一个网卡就是一个节点。,5.1 IP地址相关知识,5.1.2 IP地址结构及表示IP地址的结构1.IP地址的结构例如,有两台计算机,它们的IP地址分别是和(它们都属于C类地址,后面有详细介绍),则这两台计算机同属于一个网络ID,即同属于一个网段:网络地址(即主机ID全为0,属于特殊IP地址,后面有详细介绍)是:,主机ID则分别是2和3。在一个网段内部,主机ID必须是唯一的。,5.1 IP地址相关知识,5.1.2 IP地址结构及表示IP地址的结构1.IP地址的结构 说明:如果有多个IP地址的网络ID相同,则这些IP地址的设备是处于同一个网络中
7、,它们之间的通信通过集线器或交换机连接即可;而且这些IP地址的主机ID必须各不相同,否则,IP地址的网络ID相同、主机ID也相同,就一定会发生IP地址冲突。如果多个IP地址的网络ID不相同,则这些IP地址的设备不是处在同一个网络,它们之间的通信就需要通过路由器来实现。,5.1 IP地址相关知识,5.1.2 IP地址结构及表示IP地址的表示2.IP地址的表示在 TCP/IP协议中,IP地址在计算机中采用32个二进制bit表示。例1:用二进制表示的IP地址是:。但是,使用二进制形式表示IP地址,非常不便于人们记忆。因此,通常把32位的IP地址分成四段,每8个二进制bit为一段,每段二进制分别转换为
8、人们习惯的十进制,并且用点隔开,这种表示IP地址的方法又称“点分十进制表示法”。例如,在例1中用二进制表示的IP地址,可以用十进制的表示,如下图所示。,5.1 IP地址相关知识,5.1.2 IP地址结构及表示IP地址的表示2.IP地址的表示 说明:在8位二进制bit中最小的值是00000000,与其对应的十进制数为0;在8位二进制bit中最大的值是11111111,与其对应的十进制数为255。所以采用“点分十进制表示法”表示IP地址时,IP地址每段数值的取值范围是0255。,5.1 IP地址相关知识,5.1.3 IP地址的分类由于IP地址由32个二进制数组成,一共有232=4294967296
9、个IP地址,要想管理好这些数量庞大的IP地址是非常困难的。因此为了便于管理,Internet管理委员会将232=4294967296个IP地址分为了A、B、C、D、E五类地址。在这五类地址的每一类中,又定义了网络ID和主机ID各占用总32位地址中的多少位。也就是说,在每一类的IP地址中规定了可以容纳多少个网络,以及在这些网络中可以容纳多少台主机。在五类地址中,最常用的是AC类,DE类很少用。D类地址是多播地址或组播地址,用于实验室科研;E类地址是保留地址,以备IP地址不够用。,5.1 IP地址相关知识,5.1.3 IP地址的分类A类地址1.A类地址 A类IP地址的第1字节表示网络ID,后3个字
10、节表示主机ID。其中在网络ID的第1字节中,第1位为“0”,接下来的7位(第2位到第8位结束)表示网络ID。在A类地址的网络中,最大网络ID数共有271=126个,即范围为00000001011111110,如果用十进制表示,则是在1126之间(0和127留作它用);在每个网络ID(网段)内,可容纳的最大主机数是2242=16777214台(可见是个庞大的网络)。,5.1 IP地址相关知识,5.1.2 IP地址结构及表示1.A类地址说明:2242中的减2是因为:如果主机ID全为“0”(属于特殊的IP地址),则表示该地址是网络地址;主机ID全为“1”(属于特殊的IP地址),即表示是广播地址。这两
11、个地址属于特殊IP地址(下面有具体介绍),一般不分配给主机,所以某个网段内的最大主机数应从所有主机数中减去网络地址和广播地址这两个地址。例如,、是A类地址,其网络地址(主机ID全为0)分别表示为、。如果第1位数大于126,就不属于A类地址,如就不属于A类地址。,5.1 IP地址相关知识,5.1.2 IP地址结构及表示B类地址2.B类地址 B类地址前2个字节表示网络ID,后2个字节表示主机ID。其中在网络ID的第1个字节的前2位设为“10”,接下来的14位(从第3位到第16位结束)表示网络ID。如果用十进制表示,B类地址的第一个字节在128191之间,即表示B类网络最大的网络ID允许有16384
12、个,且每个网络ID(网段)拥有66534个主机。例如,就是B类地址,其网络地址(主机ID全为0)是。,5.1 IP地址相关知识,5.1.2 IP地址结构及表示C类地址3.C类地址 C类地址前3个字节表示网络ID,后1个字节表示主机ID。其中在网络ID的第1个字节的前两位设为“110”,接下来的21位(从第4位到第24位结束)表示网络ID。C类地址是最常用的地址。,如果用十进制表示,C类地址的第1个字节在192223之间,即表示C类网络最大的网络ID允许有2097152个,且每个网络ID(网段)拥有254台主机。,例如,就是C类地址,其网络地址(主机ID全为0)是,主机ID是11。,5.1 IP
13、地址相关知识,5.1.2 IP地址结构及表示IP地址的五种分类方法示意图。,5.1 IP地址相关知识,5.1.2 IP地址结构及表示常用的A、B、C 三类IP地址可以容纳的网络ID数和主机数。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址私有地址与公有地址 特殊IP地址是为特殊目的而保留的,不能用于标识网络设备。1.私有地址与公有地址 IP地址按不同的使用范围,可分为公有地址(又称公网地址)和私有地址(又称私网地址)。其中“公有地址”是可以直接连接互联网的IP地址,“私有地址”只能在某个企业或机构的内部网络(内部局域网)中使用。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址私有地址
14、与公有地址(1)私有地址。私有地址是不能够在互联网上使用的地址。也就是说,如果在一个连接互联网的网络节点上使用了私有IP地址,那么该节点将不能和互联网上的任何其他节点通信,因为互联网的其他节点会认为该节点使用了一个非法的IP地址。在IP地址的A、B、C类地址中,分别留出了三块IP地址空间(1个A类地址段,16个B类地址段,256个C类地址段)作为私有的内部使用的地址。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址私有地址与公有地址 由于私有IP地址无法直接连接互联网,因此,如果要使用私有地址将局域网连接到互联网,则需要将私有地址转换为公有地址。这如同一个单位的内部电话号码,只能在单位内部
15、通话使用,如果要与单位外部通话,则必须通过单位的总机拨出。将私有地址转换为公有地址的过程,称为网络地址转换(NAT,Network Address Translation),通常使用路由器执行NAT转换。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址私有地址与公有地址(2)需要私有地址的原因。其原因就是IP地址资源的紧缺。由于私有地址可以在局域网内部重复使用,这样,就缓解了IP地址资源枯竭的危机。前面已经介绍,IP地址必须是唯一的,而且接入互联网的设备都必须有一个IP地址。IPv4协议理论上支持40亿左右的公有IP地址,但事实上能够被利用的公有IP地址非常有限。如果每一台连接互联网的设备
16、都需要一个公有IP地址,那么IPv4是绝对无法分配出这么多地址的。为此,采用私有地址仅供组织内部使用的方法,使组织内部主机无需唯一的公有 IP 地址,从而节约IP地址的资源。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址私有地址与公有地址(2)需要私有地址的原因。如,某单位要管理100台计算机,要求这些计算机都能够连接到互联网。理论上,该单位需要购买100个公有IP 地址,才能在接入互联网后确保每一台计算机都有一个唯一的IP 地址。而事实上,该单位最少只需要购买一个公有IP地址即可。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址 简单地理解,在获得一个公有IP地址后(如),将该公有
17、IP地址配置给路由器,至此,路由器就获得了一个独一无二的公有IP地址。而100台计算机组建了一个内部局域网,局域网内部使用的是私有IP地址()。再将100台计算机组建的局域网连接至路由器。此时,如果外界要给这100台计算机的其中一台发送信息,会先发送到路由器上,路由器会再转发给目标计算机,即路由器进行NAT转换。说明:关于路由器的NAT功能,会在今后的专业课程中专门介绍。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址 说明:对于规模大的网络,可以使用A类私有地址,可容纳1600万以上的私有地址;对于中型网络,可以使用B类私有地址,提供的地址超过65000个;小型企业和家庭网络一般使用单一
18、的C类私有地址,最多可容纳254台主机。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址公有地址(3)公有地址。与私有地址相反,用于Internet中的IP地址称之为公有地址(Public Address),通过公有地址可直接访问互联网。公有地址由InterNIC(Internet Network Information Center因特网信息中心)负责。公有地址分类如表所示。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址直接广播地址和有限广播地址 2.直接广播地址和有限广播地址 广播地址是一种特殊形式的IP地址。所谓“广播”,是指同时向某个网段上所有的主机发送信息。广播地址分两种:
19、直接广播地址、有限广播地址。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址直接广播地址和有限广播地址(1)直接广播地址。直接广播地址是:一个有效的网络ID和表示主机ID部分的bit位全为“1”,即它指定了网络ID所指定的网段中的“所有主机”。也就是说,一个直接广播数据包将被发送到网络ID所指定网段内的所有主机。例如,就是B类地址中的一个直接广播地址。直接广播数据包被发送到网络地址为网段的所有主机。类似地,、也都是直接广播地址。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址直接广播地址和有限广播地址(2)有限广播地址。有限广播地址(又称本地广播地址),即IP地址中32 bit二进制数
20、全为“1”的IP地址()。有限广播将广播限制在本地网络范围内,它用于向本地网络中的所有主机发送有限广播数据包。对本机来说,IP地址是指本网段内的所有主机。当主机不知道本机所处的网络时(如主机的启动过程中),甚至连它自己的IP地址也还不知道时,只能采用有限广播方式,希望从网络IP地址服务器处获得一个IP地址。任何情况下,路由器都会禁止转发目的地址为有限广播地址()的数据包,这样的数据包仅仅会出现在本地网络中。说明:有限广播的数据包里不包含自己的IP地址,而直接广播包含自身的IP地址。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址3.“0”地址 如果IP地址中32 bit二进制数全为“0”时
21、(),代表所有的主机,即表示整个网络。它表示了这样的一个集合:所有不清楚的目的网络和目的主机。所谓“不清楚”是指既不知道网络ID,也不知道主机ID。若主机想在本网内通信,但又不知道本网的网络ID,那么可以利用0.0.0.0 地址。,5.1 IP地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址4.回送地址 即是回送地址。其中x可以是任何数。回送地址是指本机,即指将信息回传给自己。,回送地址主要用于网络软件测试以及本机进程间通信。无论什么程序,一旦使用回送地址发送数据,协议软件立即返回,不进行任何网络传输。例如,使用 ping 127.1.1.1命令,可以测试本机TCP/IP协议是否安装正确。,5.1 IP
22、地址相关知识,5.1.4 特殊IP地址5.小结 IP地址根据网络ID和主机ID的数量分为A、B、C三类。,在一个网段中,它开始的第一个地址叫做“网络地址”(主机部分全为0),最后一个地址叫“广播地址”(主机部分全为1)。例如,C类IP地址表示该网段的开始地址,即该网段的网络地址;表示该网段的最后一个地址,即该网段的广播地址。这两个地址统属于特殊IP地址,不能分配给主机使用。特殊地址及用途如表所示。,5.1 IP地址相关知识,5.1.5 子网模式下的IP地址结构 IP地址分为A、B、C、D、E五类,其中A、B、C三类地址最为常用。通常,A类地址分配给大型服务提供商使用,B类地址分配给大公司使用,
23、C类地址分配给一般用户使用。但这样的分配方式会造成大量IP地址的浪费。例如,一个C类地址最多可容纳254台主机,但如果主机数量只有100台,则多余的254100=154个IP地址将不能再使用,就被浪费掉了。因此,为了节省IP地址,将一个有类网络(A、B、C类)再划分为若干个小网络。这样,便产生了子网与子网掩码。“子网”是指把一个有类的网络地址,再划分成若干个小的网段,这些网段即称为子网。,5.1 IP地址相关知识,5.1.5 子网模式下的IP地址结构 如图所示是一个子网模式下的地址结构。划分子网以后,原IP地址模式变成了由三部分组成:网络ID、子网ID和主机ID。在原来的IP地址模式中,网络I
24、D部分就能够标识一个独立的物理网络,而引入子网模式后,需要网络ID子网ID才能全局唯一地标识一个独立的物理网络。也就是说,子网的概念延伸了原网络ID部分,允许将一个网络分解为多个子网。,5.1 IP地址相关知识,5.1.6 什么是子网掩码 随着子网的出现,使得扩展后的IP地址具有一定的内部层次结构,而且不再是按照标准地址(A类、B类、C类等)来决定IP地址中的网络ID,需要一个新的值来定义IP地址中哪部分是网络ID,哪部分是主机ID。这样,子网掩码应运而生。子网掩码主要用于区分IP地址中的网络ID和主机ID。它屏蔽了IP地址的主机部分,从而分离出网络ID和主机ID。说明:子网掩码可以理解为它是
25、一部分透明,一部分不透明的纸条,不透明部分盖住主机ID(掩住主机ID),透明部分透出网络ID。子网掩码的格式同IP地址一样,是一个32位的二进制数,由连续的“1”和连续的“0”组成。为了理解的方便,也采用点分十进制表示。子网掩码的定义为:对应于IP地址的网络ID部分,子网掩码的所有位都设为“1”,且“1”必须是连续的(即在连续的“1”之间不允许有“0”出现);对应于IP地址的主机ID部分,子网掩码的所有位都设为“0”。,5.1 IP地址相关知识,5.1.6 什么是子网掩码 例如,IP地址为,子网掩码为。将写成二进制形式,如图所示。图中,子网掩码连续“1”的部分所对应的IP地址部分便是网络ID,
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