IP地址详解

IP地址划分详解

摘要： 在网络规划中， IP 地址方案的设计至关重要，好的 IP 地址方案不仅可以减少网络负荷，还能为以后的网络扩展打下良好的基础。本文就网络规划中 IP 地址方案设计进行一些讨论，并给出了 IP 地址方案设计实例。

关键词：分类的 IP 地址；子网掩码；私有地址

一、 地址分配方法

地址管理的任务之一就是地址分配。目前，在绝大多数局域网中， IP 地址的管理基本遵循 Ipv4 协议，其分配的方式主要有以下三种。

1. 单一地址设备：如一般的工作站或服务器，所处的网络环境中，只拥有一个 IP 地址。

2. 多穴设备：最典型的就是路由器，配有多个接口，各个接口都可指定 IP 地址。此外安装有多个网络适配器的计算机，也属于多穴设备。

3. 多网化设备：是指在某个网络接口上设有多个 IP 地址。例如，计算机的网卡就可以绑定多个 IP 地址，路由器的网络接口也可以设置多个 IP 地址。

二、分类的 IP 地址

根据 Ipv4 的地址空间设计， IP 地址是由固定长度的 4 个字节组成（ 32 位），通常以 4 个点分十进制数表示。

所谓“分类的 IP 地址”就是将 IP 地址划分为若干个固定类，每一类地址都是由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号 net-id ，它标志主机（或路由器）所连接的网络，而另一个字段则是主机号 host-id ，它标志该主机（或路由器），图 1 给出了各种 IP 地址的网络号字段和主机号字段，这里 A 类、 B 类和 C 类地址是最常用的。

从图 1 可看出： A 类、 B 类和 C 类地址网络号字段 net-id 分别为 1 ， 2 和 3 字节长，而在网络号字段的最前面有 1 ～ 3bit 的类别比特，其数值分别规定为 0 ， 10 ，和 110 。 A 类、 B 类和 C 类地址主机号字段 host-id 分别为 3 ， 2 和 1 字节长。除去网络号与主机号全 0 和全 1 的情况， 可得出表 1 所示的 IP 地址的使用范围。

表 1 IP 地址的使用范围

网络类别

最大网络数

第一个可用的网络号

最后一个可用的网络号

A

126 （ 2 7 -2 ）

1

126

B

16384 （ 2 14 ）

128.0

191.255

C

2097152 （ 2 21 ）

192.0.0

223.255.255

IP 地址具有以下重要特点：

1 、每个 IP 地址都由网络号和主机号两部分组成。从这个意义上说， IP 地址是一种分等级的地址结构。分等级的好处是：第一， IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组，这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减少路由表所占的存储空间。

2 、 IP 地址是标志一个主机（路由器）和一条链路的接口。当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号必须是不同的。由于路由器至少应连接两个网络，因此一个路由器至少应当有 两个不同网络的 IP 地址 。

3 、在同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址中的网络号必须是一样的。

谈到这里，就有必要提到私有地址的概念了， 根据 RFC1918 “私有网络地址分配”中的定义，私有地址是网络管理员不用向 ISP 或区域地址注册机构申请就可以为内部网络和主机指定的地址。表 2 给出了 RFC1918 定义的私有地址空间。

表 2 私有网络地址分配空间

IP 地址范围

网络类别

网络个数

10.0.0 .0 － 10.255.255.255

A

1

172.16.0.0 － 172.31.255.255

B

16

192.168.0.0 － 192.168.255.255

C

256

采用这样的专用 IP 地址的网络称专用网，全世界有很多的专用网具有相同的 IP 地址，但不会引起冲突，专用网内的主机要想和 Internet 主机通信可使用网络地址转换 NAT 。

三、子网的划分

为提高 IP 地址空间的利用率和网络的吞吐量，进一步解决两级 IP 地址不够灵活的问题，从 1985 年起在 IP 地址中又增加了“子网号字段”，使两级 IP 地址变成为三级 IP 地址。这种做法叫作划分子网 [RFC950] 。划分子网已经成为 Internet 的正式标准协议。

划分子网的思路如下：

1 、一个拥有许多物理网络的单位，可将所属的物理网络划分为若干个子网。划分子网纯属一个单位内部的事情。本单位以外的网络看不见这个网络是由多少子网组成，因为这个单位对外仍然表现为一个没有划分子网的网络。

2 、划分子网的方法是从网络的主机号借用若干个比特作为子网号，而主机号也相应减少了若干个比特。于是两级的 IP 地址在本单位内部就变成为三级的 IP 地址：网络号、子网号、和主机号。

3 、凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号找到连接在本单位网络上的路由器。但此路由器在收到 IP 数据报后，在按目的网络号和子网号找到目的子网，将 IP 数据报交给目的主机。

4 、划分子网只是将 IP 地址的本地部分进行 再 划分，而不改变 IP 地址的因特网部分。

5 、子网掩码是一个网络或子网的重要属性。

掩码是一个 32 位二进制数，用点分十进制来描述，它由一串 1 和一串 0 组成，子网掩码中的 1 对应与 IP 地址的网络号和子网号，而子网掩码中的 0 对应 IP 地址中的主机号。虽然 RFC 文档中没有规定子网掩码中的 1 必须是连续的，但却极力推荐大家在子网掩码中选用连续的 1 以免出错。对于 A 、 B 、 C 类 IP 地址来说，有其缺省或默认的子网掩码。

A 类地址的默认子网掩码是 255.0.0.0 。

B 类地址的默认子网掩码是 255.255.0.0 。

C 类地址的默认子网掩码是 255.255.255.0 。

四、 IP 地址方案设计实例

某公司的网络布局结构如图 2 所示。 路由器 1 有 4 个局域网接口。路由器 2 、路由器 3 和路由器 4 它们分别有两个局域网接口。表 3 中给出了局域网 A 、 E 、 F 和 G 中的设备情况，假设该公司从 ISP 获得一 C 类网络地址 196.168.20.0 ， 应该如何进行子网划分设计 。

表 3 各局域网的设备情况表

局域网

设备

A

20 台工作站， 2 个服务器，一个可管理交换机， 1 个路由器

E

11 台工作站， 2 个服务器，一个可管理交换机， 1 个路由器

F

12 台工作站， 2 个服务器，一个可管理交换机， 1 个路由器

G

10 台工作站， 1 个服务器，一个可管理交换机， 1 个路由器

表 4 每个子网所需 IP 的数量

根据前面所述的 IP 地址的重要特点 2 和 3 ，可知每个路由器的网络接口都定义一个网络或子网，从图 2 可以看出，路由器 1 需要 4 个 IP 地址，每个地址都在不同的子网中。同理，路由器 2 、路由器 3 和路由器 4 分别需要 2 个 IP 地址，每个地址都在不同的子网中。但是路由器 1 和路由器 2 连接在同一个子网上（图 2 中的 B ）。同样，路由器 1 和路由器 3 、路由器 4 的也分别连接在相同的子网上。可以看出此时仅需要 7 个子网，它们是 B 、 C 和 D 三个局域网连接加上 A 、 E 、 F 、 G 四个子网。每个子网中的地址个数是 2 到 25 之间。每个子网所需 IP 的数量如 表 4 所示。

第一步 ，确定子网的位数。 在本例中，该公司从 ISP 申请到一个 C 类网络（ 196.168.20.0 ）。 C 类网络有 24 位网络号和 8 位主机号，要想满足 7 个子网的要求，同时满足每个子网的 IP 地址的数量，则必须从主机位中借用 3 个比特位作为子网号。

第二步，确定子网掩码。由于确定了子网位为 3 个比特，则剩下的 5 个比特作为主机位。 子网掩码中的 1 对应与 IP 地址的网络号和子网号，而子网掩码中的 0 对应 IP 地址中的主机号，得出子网掩码的二进制 形式： 11111111 ， 11111111 ， 11111111 ， 11100000 。用点分十进制表示为 255.255.255.224 。

第三步，给出子网位的各种组合形式，并确定每个子网的地址范围。

子网位的各种组合形式如下： 000 、 001 、 010 、 011 、 100 、 101 、 110 和 111 。每个子网中都有 4 个具有特殊意义的地址：

•  子网地址（主机位为全 0 ）。

•  第一个可分配的 IP 地址。

•  最后一个可分配的 I P 地址。

•  广播地址（主机位为全 1 ）。

第一个子网的上述 4 个地址如下：

子网 | 主机

0 0 0 | 0 0 0 0 0 = 0 （子网地址）

0 0 0 | 0 0 0 0 1 = 1 （子网地址 + 1 ）

… |

0 0 0 | 1 1 1 1 0 = 3 0 （广播地址 - 1 ）

0 0 0 | 1 1 1 1 1 = 3 1 （广播地址）

第一个子网的地址是 196.168.20.0 ，分配给不同设备的 IP 地址范围从 196.168.20.1 开始到 196.168.20.30 结束。子网的广播地址是 196.168.20.31 。

在对其他子网重复这个过程时，仅需要对每个子网使用不同的位模式串就可以了。第二个子网的内容如下：

子网 | 主机

0 0 1 | 0 0 0 0 0 = 3 2 （子网地址）

0 0 1 | 0 0 0 0 1 = 3 3 （子网地址 +1 ）

… |

0 0 1 | 1 1 1 1 0 = 6 2 （广播地址 -1 ）

0 0 1 | 1 1 1 1 1 = 6 3 （广播地址）

这样可以连续给出所有 8 个可能的子网。表 4 给出了对上述内容的总结。

表 4 各子网的地址及范围

子网地址

第一个分配地址

最后一个分配地址

广播地址

196.168.20.0

196.168.20.1

196.168.20.30

196.168.20.31

196.168.20.32

196.168.20.33

196 .168.20.62

196.168.20.63

196.168.20.64

196.168.20.65

196.168.20.94

196.168.20.95

196.168.20.96

196.168.20.97

196.168.20.126

196.168.20.127

196.168.20.128

196.168.20.160

196.168.20.129

196.168.20.161

196.168.20.158

196.168.20.190

196.168.20.159

196.168.20.191

196.168.20.196

196.168.20.193

196.168.20.222

196.168.20.223

196.168.20.224

196.168.20.225

196.168.20.254

196.168.20.255

第四步，分配子网地址。

分配子网地址就是 给相应的网段分配子网地址。从 8 个子网中选出一些子网，然后将他们分配到 7 个网段中。从技术角度来讲，哪个子网分配给哪个网段是没有什么区别的，根据网络设计者的习惯不同，有不同的分配方法。在这里唯一要考虑的因素是如何使网络文档的设计简单、方便和容易记录。分配方法略。

第五步，分配设备地址。

当完成为不同的网段分配子网地址后，就需要为每个子网的设备分配 IP 地址。本例中的服务器和工作站都是单一地址设备。通常有三种基本的分配方法：顺序分配、预留地址和向中间扩展。

1. 顺序分配

顺序分配指简单地将下一个可能的 IP 地址分配给每个设备，而不考虑设备的类型或功能。这种方法的优点是灵活，并且不浪费地址。缺点是没有顺序或分配策略。

2. 预留地址

在每个子网中为不同功能预留一组地址空间。例如：

路由器：使用前 3 个地址。

服务器：使用相邻下 5 个地址。

其他设备：使用相邻下 5 个地址（打印机）。

工作站：所有剩余地址。

这种技术的优点就是让技术支持人员能够根据设备的地址来判断设备的类型。反过来也一样，给定一个设备后，就能够给出它的地址。它的主要缺点是容易造成地址空间的浪费。

3. 向中间扩展

此方法是首先给路由器分配在子网中的第一个地址，然后按顺序给其他网络互连和支持设备分配下一个更高一层的地址。按需要，给工作站分配的地址是从高地址开始，到低地址结束。这种技术可以使用所有的地址，同时又保留了一些功能上的一致性。

分配时可以使用一种方法，也可以同时使用三种方法。

四、结语

本文给出了分类的 IP 划分子网的方法，此方法也适用于采用私有 IP 地址的专用网。无论是组建校园网还是设计企业局域网， IP 地址的设计、管理和分配是设计者的一项基本工作。而根据业务的需要，对局域网进行子网的划分，对设计者又提出了更高的要求。希望本文对网络管理和设计人员有所启发。