1.3 MAC地址與IP地址

1.3.1 MAC地址的基本概念

MAC（Medium Access Control，介質(zhì)訪問控制）地址也叫物理地址、硬件地址或鏈路地址，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商生產(chǎn)時寫在硬件內(nèi)部。

（1）MAC地址的表示

MAC地址的長度為48位（6字節(jié)），通常表示為12個十六進(jìn)制數(shù)，每2個十六進(jìn)制數(shù)之間用冒號隔開。例如，08:00:20:0A:8C:6D就是某個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品（如網(wǎng)卡）的MAC地址，前6個十六進(jìn)制數(shù)08:00:20代表該產(chǎn)品制造商的編號，由IEEE（國際電氣與電子工程師協(xié)會，Institute of Electrical and Electronics Engineer）分配，后6個十六進(jìn)制數(shù)0A:8C:6D則代表該產(chǎn)品的系列號。只要不更改MAC地址，那么MAC地址在世界上是唯一的。

（2）MAC地址的作用

MAC地址用來定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的位置。無論是局域網(wǎng)還是廣域網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)之間的通信，實(shí)質(zhì)上都表現(xiàn)為將數(shù)據(jù)包從某種形式的鏈路上的初始節(jié)點(diǎn)出發(fā)，從一個節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個節(jié)點(diǎn)，最終傳送到目的節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)包在這些節(jié)點(diǎn)之間的移動都是由ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議）負(fù)責(zé)將IP地址映射到MAC地址上來完成的。

（3）如何獲取網(wǎng)卡的MAC地址

MAC地址固化在網(wǎng)卡中的BIOS中，可以通過DOS命令取得。例如，若想獲取自己使用的網(wǎng)卡的MAC地址，在Windows 2000/XP中，依次選擇“開始”→“運(yùn)行”，輸入“CMD”后回車，再輸入“ipconfig /all”然后回車，即可獲得MAC地址。

使用命令只能單條獲得MAC地址，而且使用起來也是很麻煩的。網(wǎng)管人員可以利用“MAC掃描器”遠(yuǎn)程批量獲取MAC地址。該軟件運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)、Internet都可以）內(nèi)的一臺計(jì)算機(jī)上，可監(jiān)控整個網(wǎng)絡(luò)的連接情況，實(shí)時檢測各用戶的IP地址、MAC地址、主機(jī)名、用戶名等并記錄，以供查詢。

1.3.2 IP地址的基本概念

IP協(xié)議提供一種全局通用的地址格式，為全網(wǎng)的每個網(wǎng)絡(luò)和每臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都分配一個網(wǎng)絡(luò)地址，并在統(tǒng)一管理下進(jìn)行地址分配，保證一個地址對應(yīng)一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（習(xí)慣上統(tǒng)稱為主機(jī)，下同），從而屏蔽了物理網(wǎng)絡(luò)地址的差異。IP層所用到的地址叫做網(wǎng)絡(luò)地址，又叫IP地址。

網(wǎng)絡(luò)上的每臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都必須有唯一的標(biāo)識自己身份的IP地址，若局域網(wǎng)不與Internet相連，則可自定義其IP地址，若局域網(wǎng)連接到Internet，則需向Internet名字與號碼指派公司（ICANN）申請全球唯一的IP地址，我國用戶可向亞太網(wǎng)絡(luò)信息中心（APNIC）申請IP地址。下面介紹IP地址及其相關(guān)的子網(wǎng)、子網(wǎng)掩碼和子網(wǎng)劃分等概念。

（1）IP地址的組成

IP地址由32位（4字節(jié)）組成，分為網(wǎng)絡(luò)號（net id）和主機(jī)號（host id）兩部分。其中，網(wǎng)絡(luò)號（或稱網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識）用于區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)號（或稱主機(jī)標(biāo)識）用于在一個網(wǎng)絡(luò)中區(qū)分不同的主機(jī)。這種兩級的IP地址可以記為“IP地址::={<網(wǎng)絡(luò)號>，<主機(jī)號>}”。其中，“::=”表示“定義為”。

（2）IP地址的表示

IP地址有兩種表示法：二進(jìn)制數(shù)和點(diǎn)分十進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)表示法就是用32位二進(jìn)制數(shù)表示IP地址。點(diǎn)分十進(jìn)制數(shù)表示法是把32位的IP地址分為4個8位二進(jìn)制數(shù)，每8位用其等效的十進(jìn)制數(shù)表示，之間用圓點(diǎn)隔開，其取值范圍為0～255。兩種表示方法的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1-6所示。

（3）IP地址的分類

IP地址共分為A、B、C、D、E五類，各類IP地址結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。

由圖1-7可知，常用的A、B、C三類地址的網(wǎng)絡(luò)地址、主機(jī)數(shù)量及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模如表1.1所示。D類地址作為組播地址，用于支持多點(diǎn)傳輸技術(shù)。E類地址保留作為將來使用。

可以根據(jù)IP地址第一個8位組的取值范圍來區(qū)分類別：A類地址1～127，如10.0.0.12；B類地址128～191，如166.166.64.1；C類地址192～223，如199.168.0.2。

（4）TCP/IP對IP地址的一些規(guī)定

① IP地址除了一般標(biāo)識一臺主機(jī)外，還有幾種具有特殊意義的特殊形式，如表1.2所示。主機(jī)號全“0”和全“1”的IP地址分別表示本網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址和廣播地址，不能用于主機(jī)的IP地址。

② A類地址中的10.0.0.0～10.255.255.255，B類地址中的172.16.0.0～172.31.255.255和C類地址中的192.168.0.0～192.168.255.255，這三部分IP地址不允許在Internet上進(jìn)行分配，但可以同時在多個不同的局域網(wǎng)內(nèi)部使用，故稱為私有IP地址或保留IP地址。

③ 地址段127.0.0.1～127.255.255.254也是屬于保留使用的，用于本機(jī)環(huán)路測試IP地址。例如，測試網(wǎng)卡是否正常，可采用ping 127.0.0.1。

1.3.3 子網(wǎng)與子網(wǎng)掩碼

（1）子網(wǎng)

由于Internet規(guī)模的急劇增長，促使對IP地址的需求激增。由此帶來的問題是：第一，巨大的網(wǎng)絡(luò)地址管理開銷，使IP地址資源嚴(yán)重不足；第二，網(wǎng)關(guān)尋找路徑要求急劇膨脹，路由表規(guī)模急速增長。其中第二點(diǎn)尤為突出，路由表的膨脹不僅會降低網(wǎng)關(guān)尋找路徑的效率（甚至可能使路由表溢出，從而造成尋徑故障），更重要的是將增加內(nèi)外部路徑刷新時的開銷，從而加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。因此，迫切需要尋求新的技術(shù)，以應(yīng)付網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增長帶來的問題。

對這個問題的一種解決辦法是劃分子網(wǎng)，即把一個網(wǎng)絡(luò)再分為更小的一些網(wǎng)絡(luò)，稱為子網(wǎng)。子網(wǎng)是一個邏輯上獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，子網(wǎng)中的各主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)地址部分是相同的。劃分子網(wǎng)的主要目的是節(jié)約IP地址數(shù)和方便網(wǎng)絡(luò)的管理。

（2）子網(wǎng)編址

劃分子網(wǎng)在IP編址系統(tǒng)中就是從主機(jī)號部分拿出幾位作為子網(wǎng)號，這種在原來二級IP地址結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一級地址結(jié)構(gòu)的方法稱為子網(wǎng)編址（subnet addressing）或子網(wǎng)劃分。子網(wǎng)編址是一種三級IP地址結(jié)構(gòu)，它與二級IP地址的關(guān)系如圖1-8所示。

例如，有3個LAN，其主機(jī)數(shù)分別為20、25、28，均少于C類地址允許的主機(jī)數(shù)。為這3個LAN申請3個C類IP地址顯然是浪費(fèi)，我們可以只申請1個C類地址，如192.10.1.0，將主機(jī)號部分的前3位作為子網(wǎng)號標(biāo)識，后5位作為主機(jī)號標(biāo)識。這樣，該C類地址可以劃分出23=8個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)中允許有25-2=30臺主機(jī)（全0和全1分別為子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址和廣播地址）。這樣不但滿足3個LAN的主機(jī)分配IP地址，還有多余的IP地址用于主機(jī)擴(kuò)充。

（3）子網(wǎng)掩碼

一個網(wǎng)絡(luò)被劃分成子網(wǎng)后就存在一個子網(wǎng)的識別的問題，即判斷兩臺主機(jī)是否在同一子網(wǎng)中的問題。使用子網(wǎng)掩碼（subnet mask）可以找出IP地址中的子網(wǎng)部分。

IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：每個使用子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)都選擇一個32位的位模式，若位模式中的某位置為1，則對應(yīng)IP地址中的某位就為網(wǎng)絡(luò)地址（包括網(wǎng)絡(luò)部分和子網(wǎng)號）中的一位；若位模式中的某位置0，則對應(yīng)IP地址中的某位就為主機(jī)地址中的一位。

例如，位模式11111111111111111111111100000000中，前3字節(jié)全1，代表對應(yīng)IP地址中最高的3字節(jié)為網(wǎng)絡(luò)地址；最后1字節(jié)全0，代表對應(yīng)IP地址中最后1字節(jié)為主機(jī)地址。這種位模式叫做子網(wǎng)模（subnet mask）或子網(wǎng)掩碼。

為了使用的方便，常常使用“點(diǎn)分整數(shù)表示法”來表示一個IP地址和子網(wǎng)掩碼，如C類地址子網(wǎng)掩碼11111111.11111111.11111111. 00000000為255.255.255.0。

子網(wǎng)掩碼可以獲取主機(jī)IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址信息，用于區(qū)分通信的兩臺主機(jī)是否在同一子網(wǎng)，由此選擇不同的路徑。路由器就是利用此技術(shù)得到網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)地址信息的。若一個網(wǎng)絡(luò)不設(shè)置子網(wǎng)，則按子網(wǎng)掩碼制定規(guī)則得到的掩碼稱為默認(rèn)子網(wǎng)掩碼。各類地址的默認(rèn)子網(wǎng)掩碼表示如下：A類地址255.0.0.0，B類地址255.255.0.0，C類地址255.255.255.0。

IP協(xié)議關(guān)于子網(wǎng)掩碼的定義允許子網(wǎng)掩碼中的“0”和“1”位不連續(xù)。但是，這樣的子網(wǎng)掩碼給分配主機(jī)地址和理解路由表都帶來一定困難，因此在實(shí)際應(yīng)用中通常采用連續(xù)方式的子網(wǎng)掩碼。像255.255.255.64和255.255.255.160等之類的子網(wǎng)掩碼不推薦使用。

（4）子網(wǎng)掩碼舉例

【例1-1】根據(jù)子網(wǎng)地址位確定子網(wǎng)掩碼。有一個B類網(wǎng)絡(luò)地址166.111.0.0，若在主機(jī)標(biāo)識中取出5位作為子網(wǎng)地址位，則該子網(wǎng)的子網(wǎng)掩碼為255.255.248.0，如圖1-9所示。

【例1-2】子網(wǎng)掩碼與IP地址結(jié)合使用，求出一個IP地址的網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號。有一個C類地址為192.9.200.15，其默認(rèn)子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，則它的網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號可按如下步驟得到：

<1> 將IP地址192.9.200.15轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)11000000000010011100100000001111。

<2> 將子網(wǎng)掩碼255.255.255.0轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)11111111111111111111111100000000。

<3> 將兩個二進(jìn)制數(shù)邏輯與（AND）運(yùn)算后得出的結(jié)果即為網(wǎng)絡(luò)部分。結(jié)果為192.9.200.0，即網(wǎng)絡(luò)號為192.9.200.0。

<4> 將子網(wǎng)掩碼取反，再與IP地址邏輯與（AND）后，得到的結(jié)果即為主機(jī)部分。下面的結(jié)果為0.0.0.15，即主機(jī)號為15。

利用子網(wǎng)掩碼可以判斷兩臺主機(jī)是否在同一子網(wǎng)中。若兩臺主機(jī)的IP地址分別與它們的子網(wǎng)掩碼相“與”后的結(jié)果相同，則說明這兩臺主機(jī)在同一子網(wǎng)中。

1.3.4 子網(wǎng)劃分

（1）子網(wǎng)劃分方法

要劃分一個子網(wǎng)，主要是確定相應(yīng)的子網(wǎng)掩碼，可以按以下步驟進(jìn)行。

<1> 將要劃分的子網(wǎng)數(shù)N轉(zhuǎn)換為最接近的2m，即N≤2m。如劃分6個子網(wǎng)，則6<23。

<2> m即為子網(wǎng)號二進(jìn)制代碼位數(shù)，用“1”按高序占用主機(jī)地址m位后轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，即可確定子網(wǎng)掩碼。例如，m=3，則有11100000，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)為224，即為最終確定的子網(wǎng)掩碼。如果是C類網(wǎng)，則子網(wǎng)掩碼為255.255.255.224；如果是B類網(wǎng)，則子網(wǎng)掩碼為255.255.224.0；如果是A類網(wǎng)，則子網(wǎng)掩碼為255.224.0.0。

<3> 根據(jù)m位子網(wǎng)號，計(jì)算出各子網(wǎng)的IP地址范圍。

（2）劃分子網(wǎng)舉例

【例1-3】設(shè)有一個C類地址192.9.200.0，現(xiàn)將其分成4個子網(wǎng)，求出子網(wǎng)掩碼和各子網(wǎng)的IP地址范圍。

因?yàn)橐獙⒃摼W(wǎng)絡(luò)劃分為4個子網(wǎng)，則有4=22，用2個“1”占用主機(jī)地址的高序位即為11000000，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)為192。這樣可確定該子網(wǎng)掩碼為255.255.255.192。因?yàn)橹鳈C(jī)全0和全1的IP地址分別為子網(wǎng)地址和廣播地址，不能作為有效的IP地址分配，則4個子網(wǎng)的IP地址范圍分別為：

注意：有的教材認(rèn)為子網(wǎng)號全為0或1的情況是無效的，這要看路由器所使用的路由選擇軟件是否支持子網(wǎng)號全為0或全為1的用法。

1.3.5 無分類編址方法CIDR

在一個劃分子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中同時使用幾個不同的子網(wǎng)掩碼，這就是變長子網(wǎng)掩碼方法。使用變長子網(wǎng)掩碼（Variable Length Subnet Mask，VLSM）可進(jìn)一步提高IP地址資源的利用率。在VLSM的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步研究出無分類編址方法，即無分類域間路由選擇（Classless Inter-Domain Routing，CIDR）。

CIDR有如下兩個主要特點(diǎn)：

① CIDR消除了傳統(tǒng)的A類、B類和C類地址以及劃分子網(wǎng)的概念，因而可以更有效地分配IPv4的地址空間，可以在新的IPv6使用之前容許因特網(wǎng)規(guī)模繼續(xù)增長。

CIDR使用各種長度的網(wǎng)絡(luò)前綴（network-prefix）來代替分類地址中的網(wǎng)絡(luò)號和子網(wǎng)號。IP地址從三級編址（使用子網(wǎng)掩碼）又回到了兩級編址。無分類的兩級編址的記法是：

IP地址::={<網(wǎng)絡(luò)前綴>，<主機(jī)號>}

CIDR還使用斜線記法（slash notation），又稱為CIDR記法，即在IP地址后面加上一個斜線“/”，然后寫上網(wǎng)絡(luò)前綴所占的位數(shù)（這個數(shù)值對應(yīng)于三級編址的二進(jìn)制子網(wǎng)掩碼中1的個數(shù)）。例如，128.14.35.7/20，即10000000000011100010001100000111。在這個IP地址中，因?yàn)樾本€后面是20，則網(wǎng)絡(luò)前綴的位數(shù)是20，即10000000000011100010；主機(jī)號的位數(shù)是12，即001100000111。

② CIDR將網(wǎng)絡(luò)前綴相同的連續(xù)的IP地址組成“CIDR地址塊”。一個CIDR地址塊由地址塊的起始地址（最小的地址）和地址塊中的地址數(shù)來定義。地址塊也用斜線“/”記法來表示。例如，128.14.32.0/20表示的地址塊共有212個地址，其有效地址共有212-2個（因?yàn)橹鳈C(jī)號為全0和全1的地址分別為網(wǎng)絡(luò)地址和廣播地址），最小有效地址是128.14.32.1，最大有效地址是128.14.47.254。

因?yàn)樵诜诸惖刂翻h(huán)境中，向一個單位分配地址時就只能采用/8、/16或/24為單位來劃分，CIDR技術(shù)可以以/13、/14、/15、…、/27等為單位來劃分，要靈活多。由此可以看出，使用CIDR可以更加有效地分配IPv4的地址空間，可根據(jù)客戶的需要分配適當(dāng)大小的CIDR地址塊。

【例1-4】假定ISP現(xiàn)擁有地址塊206.0.64.0/18，某單位需要申請800個IP地址，如何分配。

方法一：29-2=510<800<210-2=1022，因此ISP需要分配給該單位一個主機(jī)位含有10位的地址塊206.0.64.0/22，包括210-2=1022個有效IP地址。該方法給該單位多分配222個地址。

方法二：給該單位先分配一個地址塊206.0.64.0/22，然后在地址塊206.0.64.0/22的主機(jī)位取3位作為網(wǎng)絡(luò)前綴，再劃分地址塊，每個地址塊包括27-2=126個有效地址，分配其中7個地址塊206.0.64.0/25～206.0.67.0/25給該單位。該方法給該單位共分配882個地址，多出82個地址。

【例1-5】根據(jù)子網(wǎng)數(shù)來劃分子網(wǎng)，未考慮子網(wǎng)中的主機(jī)數(shù)。

某集團(tuán)公司有13家子公司，每家子公司各有4個部門。該集團(tuán)公司分配了一個172.16.0.0/16的網(wǎng)段，現(xiàn)給每家子公司以及子公司的部門分配IP地址段。

步驟一：先劃分各子公司的所屬網(wǎng)段。

有13家子公司，則至少需要13個子網(wǎng)，由2n≥13可知，n的最小值取4。因此，網(wǎng)絡(luò)位需要向主機(jī)位借4位。那么可以從172.16.0.0/16這個大網(wǎng)段中劃出24=16個子網(wǎng)。各子公司的子網(wǎng)段分配如表1.3所示。每個子公司最多容納的主機(jī)數(shù)為212-2=4094。

步驟二：再劃分子公司各部門的所屬網(wǎng)段。

以子公司1獲得172.16.0.0/20為例，其他子公司的部門網(wǎng)段劃分方法相同。

子公司1有4個部門，由于22=4，因此網(wǎng)絡(luò)位需要向主機(jī)位借2位，那么可以從172.16.0.0/20這個網(wǎng)段中再劃出22=4個子網(wǎng)，正符合要求。子公司1各部門的子網(wǎng)段分配如表1.4所示。每個部門最多容納主機(jī)數(shù)目為210-2=1022。

【例1-6】本例根據(jù)計(jì)算機(jī)臺數(shù)來劃分子網(wǎng)。

某集團(tuán)公司給下屬子公司甲分配了一段IP地址192.168.5.0/24，現(xiàn)在甲公司有兩層辦公樓（一樓和二樓），統(tǒng)一從一樓的路由器接入Internet。一樓有100臺計(jì)算機(jī)連網(wǎng)，二樓有54臺計(jì)算機(jī)連網(wǎng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1-10所示。如何規(guī)劃IP地址？

步驟一：先根據(jù)最大的主機(jī)數(shù)需求劃分子網(wǎng)。

因?yàn)橐粯蔷W(wǎng)段有100臺計(jì)算機(jī)，至少需要5臺24口交換機(jī)，加上路由器，每臺設(shè)備需要1個管理IP地址，則一樓至少需要106個有效IP地址。所以，在192.168.5.0/24的主機(jī)位要保留至少7位，即在現(xiàn)有基礎(chǔ)上網(wǎng)絡(luò)位向主機(jī)位借1位，可劃分出2個子網(wǎng)，具體表示如下：

① 11000000.10101000.00000101.00000000/25【192.168.5.0/25】

② 11000000.10101000.00000101.10000000/25【192.168.5.128/25】

將第1個子網(wǎng)段分配給一樓，即為192.168.5.0/25。

步驟二：從192.168.5.128/25中再次劃分二樓網(wǎng)段使用的子網(wǎng)。

因?yàn)槎蔷W(wǎng)段至少要有54個有效IP地址，所以，主機(jī)位至少要保留6位（26-2=62），即在現(xiàn)有基礎(chǔ)上網(wǎng)絡(luò)位向主機(jī)位再借1位，可劃分出2個子網(wǎng)，具體表示如下：

① 11000000.10101000.00000101.10000000/26【192.168.5.128/26】

② 11000000.10101000.00000101.11000000/26【192.168.5.192/26】

二樓網(wǎng)段從這兩個子網(wǎng)段中選擇一個即可，我們選擇192.168.5.128/26。

步驟三：從192.168.5.192/26中最后劃分路由器互連的網(wǎng)段使用的子網(wǎng)。

因?yàn)橹恍枰?個有效IP地址，所以，主機(jī)位只要保留2位即可（22-2=2），即在現(xiàn)有基礎(chǔ)上網(wǎng)絡(luò)位向主機(jī)位借4位，可劃分出16個子網(wǎng)，具體表示如下：

① 11000000.10101000.00000101.11000000/30【192.168.5.192/30】

② 11000000.10101000.00000101.11000100/30【192.168.5.196/30】

…………………………………

③ 11000000.10101000.00000101.11111100/30【192.168.5.252/30】

路由器互連的網(wǎng)段從這16個子網(wǎng)中選擇一個即可，這里選擇192.168.5.252/30。

步驟四：列出詳細(xì)的IP地址規(guī)劃表。如表1.5所示。