考研级《计算机网络》知识梳理——第十六期
作者：互联网
IPv4地址
1、IP地址
想要锁定某个目的主机，需要确定的两个因素就是：
1、在哪个网络（位置）？
2、是哪个主机（名称）？
想要做到如上需求，全球唯一化得找到目标，因特网的解决方案就是IP地址。
2、IP编址的历史阶段
第一阶段：分类的IP地址
第二阶段：子网的划分
第三阶段：构成超网（无分类编址方法）
3、互联网中的IP地址
IP地址可以类比于国内身份证号码，身份证号使用多串字段分别表示一定的信息，最终表示出唯一的一个人，IP地址靠同样原理表示出唯一的主机或者一个路由器接口。
IP地址概念：全世界唯一的32位（8bit*4段）/4字节标识符，标识路由器主机的接口。
下图中相同网络号下的不同主机号组成一个局域网（看首位网络号知道是C类网络，网络号占3Byte也就是24bit（8bit*3段））；一个路由器的不同接口分配有不同网络号，因此可以说路由器是分割广播域的；两个路由器之间的连线有IP地址也可以看作是一个局域网络，被称为无编号网络或者无名网络；下图中共有六个局域网络。
4、分类的IP地址
根据32位IP地址的头几位可将其分类为以下5类，注意其网络号和主机号都不一样长。
5、特殊IP地址
另外有特定的几个IP地址比较特殊，如下图所示。
环回地址永远不会进入网络，只会在主机内部发送接收，用作软件测试（能否正确发送接收数据）。
6、私有IP地址
私有IP地址如果在互联网里出现，路由器不做传输，一般是用于机构、学校等单位的内部网络。如果需要与外部做通讯，则会用到后面会讲的NAT技术。具体如下图所示（网段个数是指可以分配的网络号数量，如A类中的私有IP网络号只是第一段的10，那么就只有一个网段，C类中的私有IP网络号是192.168.0~192.168.255，那么就会有256个网段）。另外需要注意的是，虽然是私有IP，但也是正经IP，属于能顺利指派的范围内。
7、分类的IP地址小结
刨除掉首部固定的字段（在2次幂中，A类地址还要刨除掉127（01111111）），刨除掉特殊IP后（全0全1这种，注意192.0.0这种的也算全0），就可以算出最大网络数和每个网络中的最大主机数。
网络地址转换NAT（Network Address Translation）
1、私有IP地址（本地IP地址）
只可在本地网络上使用的IP地址。路由器对目的地址是私有IP地址的数据报一律不进行转发。
2、网络地址转换NAT
网络地址转换NAT（Network Address Translation）：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。
NAT其实很简单，说白了就是一个词“替换”，它根据NAT路由器上的转换表，以端口为基本单位，将本地IP的某端口与NAT路由器公网IP的端口做好对应，无论是发送还是接收经过NAT路由器的时候都会对目的地址的IP和端口号进行替换，以保证发送给正确的设备的正确进程。
子网划分与子网掩码
1、子网划分
分类的IP地址的弱点：
1、IP地址空间的利用率有时很低。（例如A类IP下同一个网络号下面可以安排1600w个主机，网络的性能根本达不到）
2、两级IP地址不够灵活（需要在IP分类的基础上对网络进行再分类）
基本原理：
在主机号里在进行划分，拿出几位用作子网号，且主机号最少保留两位。
某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位外的网络看不见本单位内子网的划分。二级IP升级为为三级IP。
机理示意图：
上图中是使用B类IP且利用第三段上的主机号划分出了子网。
2、子网掩码
子网掩码就是一串与IP地址位数相同的字段，网络号+子网号的字段全置1，剩余的作为主机字段全置0（注意这里的意义在于，因为引入了子网的概念，网络号的位数肯定是8的倍数且因为IP类型位数固定，但子网号不一定，它将剩余的位数分割开了，左侧作为子网号字段，右侧作为主机号字段。）通过子网掩码与IP地址求解子网的网络地址过程很简单，将两者的二进制字段做相与运算即可算出子网的网络地址。（原理也很好理解，掩码跟图像算法中的mask的本质很像，跟掩码“相同”的位置就是网络号+子网号，跟掩码“不同”的位置就是主机号，因此选择相与运算，而且这个掩码界限并不是8的倍数位，因此可以实现对原主机号的划分）
需要注意的是，由于子网划分的计算方法，它把曾经属于一个网络号下的网络做了区分，例如在255.255.192.0的子网掩码下，145.13.192.x-145.13.255.x的IP都会属于同一个子网145.13.192.0，145.13.128.x-145.13.191.x的IP都会属于同一个子网145.13.128.0，145.13.64.x-145.13.127.x的IP都会属于同一个子网145.13.64.0，145.13.0.x-145.13.63.x的IP都会属于同一个子网145.13.0.0。本质上相当于IP分类的再分类，数量级都是2n的倍数。
3、子网掩码习题
习题一：
已知IP地址是141.14.72.24，子网掩码是255.255.192.0，求网络地址。如果子网掩码是255.255.224.0，求网络地址。
答案都是141.14.64.0。可以看出不同的子网掩码也可以计算出相同的网络地址。但是其意义并不相同。第一个的子网号占了8bit中的两位，第二个的子网号占了8bit中的三位。
习题二：
这里通过子网掩码的第三个字节可以得知二进制掩码为11111100，IP地址的第三个字节做相与运算后得出76，同时得知掩码第三字节的最后两位加第四字节的全部是主机号的位置，因此如果做广播分组需要将所有主机号置1，最后一个字节全1是255没有问题，但是前面还有剩下2位的全1（十进制3），把它叠加到之前的第三字节的76上就是79，因此最终答案是D。
4、使用子网时分组的转发
使用子网划分时路由器中应该保存的东西：
1、目的网络地址
2、目的网络子网掩码（不同子网间的子网掩码可能会不一样）
3、下一跳地址（当任何有用目标都没有查找到时，要传给的下一个路由器的哪个接口）
路由器转发分组的算法(只做一个粗略的描述，个人认为转发分组算法的精髓在IP寻址里，因此在后面的路由算法与路由协议部分会做一个更详细的解释)：
1、提取目的IP地址
2、判断是否直接交付（有没有可以直接满足交付要求的接口）
3、查找是否是特定主机路由（提前设定好的一些特定IP直接走专线）
4、检测路由表中有无路径
5、转发给默认路由0.0.0.0
6、当TTL（time-to-live）耗尽时，丢弃该转发分组，报告转发分组出错。
无分类编址CIDR（构成超网）
1、无分类编址CIDR（无类别域间路由Classless Inter-Domain Routing）
背景：子网划分虽然确实起到了高效划分的效果，但仅靠划分原理并没有对网络进行扩充，数量依然是有限的，并且划分过程依然比较生硬，无法做到按需分配，B类IP地址已经在1992年被使用了将近一半了。因此在子网划分的基础上开始应用超网的概念。
本质概念：“子网掩码”由定长的改为变长的，“长子网掩码”分配给需求量少的网络，“短子网掩码”分配给需求量多的网络。
无分类域间路由选择CIDR：
1、消除了传统的A类，B类和C类地址以及划分子网的概念。
CIDR记法：IP地址后加上“/”，然后写上网络前缀（可以任意长度）的位数。例如：128.14.32.0/20。前缀的长度是自定义的。
2、融合了子网地址与子网掩码，方便子网划分。CIDR把网络前缀都相同（前缀位数以及具体数字都相同）的连续的IP地址组成一个“CIDR地址块”。且当拿到一个带前缀的IP地址时，可以算出最小IP地址和最大IP地址还有这个地址块中理论IP个数。地址块的记法是最小IP+/+前缀位数。地址掩码（子网掩码）就是根据前缀位数，前缀都置1，剩余部分置0。
2、构成超网
概念：将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合。
方法：将网络前缀缩短。缩短多少根据两个IP地址相同的前缀和对网络块大小的需求。
例子：
3、最长前缀匹配
使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配结果，应该选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址块越小，路由越具体。涉及到无分类编址或者超网概念时，IP寻址时首先找到的会是一个粗略的地址也就是网络块，进入网络块相关的路由器后再进行下一跳的精确寻址。
习题一：
根据每个前缀长度计算出网络块的地址，然后在正确的网络块地址中选择前缀最长的地址也就是最精确的地址，以减少寻址成本（有贪心算法的思想在里面）。
习题二：
这道题需要注意的是，在CIDR基础上分配主机号的时候需要考虑全0全1的情况，留出广播地址和网络地址，因此答案是B。
标签：第十六,子网,IP,网络,路由器,计算机网络,IP地址,子网掩码,考研 来源： https://www.cnblogs.com/monkiki/p/15848341.html