【愚公系列】软考高级-架构设计师 024-IP地址及子网

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🚀前言

IP地址（Internet Protocol Address）是指互联网协议地址，是分配给网络中每个设备的一个唯一的标识符。IP地址主要用于网络中的设备间进行识别和通信。在互联网的使用中，每一台连接到网络的设备，例如电脑、手机、服务器等，都需要有一个独一无二的IP地址。

IP地址主要有两种版本：IPv4 和 IPv6。

1. IPv4：这是目前最为广泛使用的版本。一个IPv4地址由32位二进制数构成，通常被分为四个字节，每个字节代表一个十进制数（0-255），四个数之间用点（.）分隔。例如，192.168.1.1。
2. IPv6：由于IPv4地址的数量有限，IPv6应运而生，它使用128位地址长度，可以提供几乎无限数量的地址。IPv6地址通常用十六进制表示，并通过冒号（:）分隔八组四个字符。例如，2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。

子网（Subnet）是从一个较大的网络中划分出来的较小网络，在一个组织内部，可以通过划分子网来提高网络的效率和安全性。子网可以通过子网掩码（Subnet Mask）来实现，子网掩码定义了IP地址中用于标识网络和主机的部分。

• 子网掩码：它和IP地址一样，也是32位二进制数（对于IPv4）。子网掩码中，连续的二进制位值为1的部分用于标识网络地址，而值为0的部分用于标识主机地址。例如，子网掩码255.255.255.0表示前24位是网络地址，最后8位是主机地址。

通过使用子网掩码，一个大型网络可以被划分成多个小的子网，每个子网内的设备可以直接通信，而与其他子网的通信则需要通过路由器来实现。这种划分可以减少网络流量，提高安全性和管理的便利性。

总的来说，IP地址用于确保网络中每个设备的唯一标识，而子网则是对IP地址空间的有效管理和优化策略。

🚀一、IP地址及子网

🔎1.IP地址表示

🦋1.1 IP地址表示

IP地址（Internet Protocol Address）是用于标识网络中设备的数字标签。因为不同的设备可能需要彼此通信，每个设备都需要一个独一无二的地址以便正确地发送和接收数据。主要有两种类型的IP地址：IPv4和IPv6。

☀️1.1.1 IPv4 地址

IPv4地址是最常用的IP地址形式，由32位二进制数字组成，通常表示为四个十进制数字，每个数字的范围从0到255，由点（.）分隔。例如，192.168.1.1。这种格式称为点分十进制表示法。

因为每个十进制数都是由8个二进制数转换而来， 因此IP地址每个部分取值范围为0-255 (掌握二进制转

十进制的快速计算方法， 牢记2的幂指数值， 实现快速转换) 。

• 二进制表示：每个十进制组（点分隔的）对应一个八位的二进制数。例如，192.168.1.1 在二进制中表示为 11000000.10101000.00000001.00000001。

IPv4地址通常与子网掩码一起使用，子网掩码帮助确定网络中的哪部分地址是网络地址，哪部分是主机地址。

☀️1.1.2 IP地址的作用

IP地址的主要功能包括：

• 标识：为网络中的每个设备提供一个唯一标识。
• 定位：帮助网络中的设备找到其他设备的位置，使得数据可以正确地从源头发送到目的地。

IP地址是互联网基础架构的关键部分，确保数据能在全球范围内的设备之间正确路由和交换。

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🦋1.2 IP地址划分

IP地址划分，也称为子网划分（Subnetting），是将一个较大的IP网络划分成若干个小的网络的过程。这样做的目的主要是为了提高网络的效率和安全性，减少广播流量，以及更好地管理和分配有限的IP地址资源。

在IPv4中，一个IP地址由32位二进制数组成，通常分为两部分：网络部分和主机部分。子网划分的关键在于重新分配这些位，以提供更多的网络地址和相对较少的主机地址，或者反之。这是通过使用子网掩码来实现的，它是一个32位的值，用于标示IP地址中的网络部分和主机部分。

例子：

假设有一个C类网络，IP地址为192.168.1.0，标准子网掩码为255.255.255.0（或 /24，意味着前24位是网络位）。如果需要进一步将这个网络划分为更小的子网，可以调整子网掩码。

• 假设我们将子网掩码改为255.255.255.192（或 /26）。这意味着网络部分现在占26位，而不是24位。这样可以将原来的一个大网络划分成4个小网络，每个小网络有62个可用的主机地址（64个地址减去网络地址和广播地址）。

子网划分步骤：

1. 确定需求：根据需要的网络数量和每个网络中需要的主机数量来确定。
2. 设计子网掩码：增加网络位数以创造更多的子网，相应地减少主机位数。
3. 计算可用网络和主机：根据新的子网掩码计算每个子网的网络地址、广播地址和可用的主机范围。
4. 分配和实施：根据计划在实际网络环境中分配IP地址。

子网划分是网络设计和管理中的一项基本技能，对于优化网络操作和扩展企业架构至关重要。

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无分类编址 ：即不按照A B C类规则， 自动规定网络号， 无分类编址格式为： IP地址/网络号， 示例 ：

128.168.0.11/20表示的IP地址为128.168.0.11， 其网络号占20位， 因此主机号占32-20=12位， 也可以划分子网 。

特殊 IP地址：

• 公有地址 ： 通过它直接访问因特网。 是全网唯一的IP地址。
• 私有地址 ： 属于非注册地址，专门为组织机构内部使用，不能直接访问因特网，下表所示为私有地址范围 ：
  

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🔎2.子网及子网掩码

在您的描述中，您概述了子网划分的基本概念和实践，以及如何通过聚合技术创建超网（Supernetting）。以下是对您提到的几个关键点的更详细解释和澄清：

🦋2.1 子网和超网

☀️2.1.1 子网划分（Subnetting）

目的和方法：

子网划分是为了更有效地使用较大的IP地址块（如B类地址）而进行的。通过这种方式，大型网络可以被细分成更小、更易于管理的网络块。在IP地址中，原有的主机部分的一些位被重新划分用作子网号，从而允许管理员基于实际需要来划分网络。

• 子网掩码：是用来确定IP地址中哪部分属于网络地址（包括子网号）哪部分属于主机地址的一个值。例如，一个标准的B类网络地址的子网掩码为255.255.0.0。如果我们进一步划分子网，可能会有如255.255.255.0的子网掩码，这样就将一个大网络划分为多个小网络。
• 地址组成：通过子网划分后，IP地址由“网络号 + 子网号 + 主机号”组成。网络号和子网号的组合用来识别特定的子网，而主机号则用来识别子网内的具体设备。
  

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注意点：

• 子网号可以为全0或全1。这是在传统的子网划分规则中经常被误解的地方。在现代网络环境中，路由器可以正确处理这些情况，因此全0和全1的子网号现在通常是可用的。
• 主机号不能为全0或全1。全0用于表示网络本身，全1用于表示该网络的广播地址。因此，实际可用的主机地址需要从理论上的总数中减去2。

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☀️2.1.2 超网（Supernetting）

定义和应用：

超网，或称为路由聚合，是子网划分的逆过程。它涉及将多个小网络合并成一个更大的网络，这在简化路由表和提高路由效率方面非常有用。通过超网，可以减少网络之间的边界，使得网络设计更为简洁。

• 操作：例如，假设有四个连续的C类网络：192.168.1.0/24, 192.168.2.0/24, 192.168.3.0/24, 192.168.4.0/24。这些可以被聚合成一个更大的网络192.168.1.0/22，该网络覆盖了从192.168.0.0到192.168.3.255的所有地址。

超网和子网划分是网络设计中的两种基本技术，它们都用于优化和合理分配IP地址资源，根据实际需求来调整网络的结构和大小。通过理解和运用这些技术，网络管理员可以更有效地管理其网络资源，同时提高网络的性能和安全性。

🔎3.子网的网络地址

将IP地址和其对应的子网掩码逐位进行“与”运算 ， 可得到对应的子网的网络地址。

例如： 某主机的IP地址为136.34.5.56 ， 子网掩码为255.255.255.0。进行与运算后， 得出该主机所在子网的网络号为136.34.5.0。

因此路由器在相互之间交换信息的时候 ， 除了要给出目的地址和下一跳地址外，还需要给出该目的网络的子网掩码。

例如： IP地址： 131.1.123.24/27与IP地址： 131.1.123.43/27是否在同一网段？

解析：/27代表前27位都是网络号，主机号是5位，因此将24与43 分别转换成二进制：

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🔎4.IPV6

🦋2.1 IPV6的概念

IPv6是在1995年提出的新设计方案，目的是为了解决IPv4的若干局限性，如地址空间耗尽、路由表急剧膨胀、缺乏对服务质量（QoS）的支持、本身不提供任何安全机制、以及移动性差等问题。这一新的设计方案被称为下一代IP（IP Next Generation，IPNG）。IPv6具备以下显著特性：

1. 地址长度：IPv6的地址长度为128位，使地址空间相比IPv4增大了(2^{96})倍。
2. 报文头部格式：IPv6采用灵活的IP报文头部格式，使用一系列固定格式的扩展头部取代了IPv4中可变长度的选项字段。在IPv6中，选项部分的处理方式也发生了变化，使得路由器可以不处理选项部分而直接转发，从而加快了报文的处理速度。
3. 报文头部简化：IPv6简化了报文头部的结构，这一改变提高了报文的转发效率和网络吞吐量。
4. 安全性提升：IPv6增强了网络安全性，身份认证和数据隐私成为其核心特性。
5. 支持多种服务类型：IPv6能够支持更广泛的服务类型，提升了网络的服务质量。
6. 协议的可扩展性：IPv6允许协议继续演化，增加新的功能，以适应未来技术的发展。

这些特性显示IPv6旨在成为一个更加高效、安全和灵活的网络协议，适应未来互联网的需求。

🦋2.2 IPV6的表示

下一代IP地址 ，共128位 ， 以16位为一段 ，共为8段 ， 每段的16位转换为一个4位的十六进制

数 ，每段之间用“:”分开。

例如，2001:0da8:d001:0001:0000:0000:0000:0001，还可以表示为： 2001: da8: d001: 1: 0: 0: 0: 1与2001: da8: d001: 1: :1

与IPv4比 ， IPv6的优势：

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🦋2.2 IPV4到IPV6的过渡技术

在IPv4到IPv6的过渡期间，因为全球网络并没有同时或能够立即全面地迁移到IPv6，所以需要一些过渡技术来确保两种协议的网络能够相互操作。以下是主要的过渡技术：

☀️2.2.1 双协议栈技术（Dual Stack）

双协议栈技术允许主机或路由器同时支持IPv4和IPv6协议栈。这种方式下，网络设备能够处理IPv4和IPv6数据包，从而实现两种协议的平滑过渡。在实际应用中，双协议栈的设备会有两个IP地址：一个IPv4地址和一个IPv6地址，使得设备能够与IPv4和IPv6网络中的其他设备通信。

☀️2.2.2 隧道技术（Tunneling）

隧道技术主要用于在IPv4基础设施上传输IPv6数据包。这是通过将IPv6数据包封装在IPv4数据包中来实现的，从而允许IPv6数据包“隧穿”IPv4网络。这种方法不要求网络中的每个节点都支持IPv6，只需隧道的两端支持即可。常见的隧道技术包括：

• 6to4隧道：自动在IPv6/IPv4节点之间建立隧道，使用公共的IPv4地址（如192.88.99.1）作为中继。
• 6over4隧道：在支持IPv4多播的网络上实现IPv6节点的自动隧道。
• ISATAP隧道：将IPv4网络作为虚拟的IPv6本地链路，用于将IPv6封装在IPv4内部，主要用于组织内部的IPv6连接。

☀️2.2.3 翻译技术（Translation）

翻译技术涉及在IPv4和IPv6网络之间转换IP头信息，以及必要时修改数据包的内容，以确保协议间的互操作性。这种方式需要使用特殊的网关设备，这些设备在两种协议间转换数据包。常见的翻译机制包括：

• NAT64：允许IPv6设备通过转换机制访问IPv4服务。NAT64通常与DNS64（将IPv4地址转换为IPv6地址的DNS服务）结合使用，以便IPv6主机能够解析和连接到IPv4地址。
• SIIT（Stateless IP/ICMP Translation）：这是一种无状态的IP到ICMP转换技术，用于IPv4和IPv6间的基本翻译。

这些技术各有优势和适用场景，选择哪种技术取决于特定网络的需要、成本和长远的网络策略。过渡技术的最终目标是为了在不影响现有服务的前提下，逐步过渡到纯IPv6环境。

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