IP 地址与 VLAN的划分

5.1 IP 地 址教学目标：• 了解 IP 地址的作用• 掌握 IP 地址的层次结构• 掌握广播地址和网络地址• 学会子网编址方法

重点难点：• 规划子网• 在局域网上划分子网

为什么要使用 IP 地址？

屏蔽各种物理网络的地址差异 每种物理网络都有各自的技术特点，其物理地址也各不相同

统一物理地址的表示方法不现实 互联网对各网络地址的“统一”通过 IP 地址在 IP 层完成

IP 地址

   IP 地址是网络层的逻辑地址，用于标识数据报的源地址和目标地址。在 Internet 中，一个 IP 地址可唯一性地标识出网络上的每个主机。目前主流的 IPv4 协议采用的 IP 地址长度为 4 个字节，即 32bit 。在书写时，通常用 4 段十进制数表示（称为点分形式）：每段由 0~255 的数字组成，段与段之间 用小数点分隔。

例如： 二进制形式的 IP 地址： 10101100 10101000 00000000 00011001

    点分形式的 IP 地址： 172.168.0.25

IP 地址的直观表示法点分十进制标记法

将 4B 的二进制数值转换成 4 个十进制数值每个十进制数值小于等于 255

4 个十进制数值间用“ .” 隔开

点分十进制标记法举例

二进制 IP 地址

用点分十进制表示法表示成？

202.93.120.44

11001010 01011101 01111000 00101100

字节 1 字节 4 字节 3 字节 2

IP 地址的组成

IP 地址的长度为 32 位二进制数网络号 NETID

标识互联网中一个特定网络主机号 HOSTID

标示网络中主机的一个特定连接

IP 编址方式携带了位置信息

1. 优点

给出 IP 地址就能知道它位于哪个网络

路由简单

2. 缺点

主机在网络间移动， IP 地址必须跟随变化

主机在网络间移动

IP 地址的分类

(1) A 类地址　 001.hhh.hhh.hhh ～ 127.hhh.hhh.hhh 　　 A 类地址用第一段数字表示网络 ID ，并规定最左位为“ 0” ，即凡是以 0 开始的 IP 地址均属于 A 类网络。因此取值范围是 00000001 ～ 01111111 ，即 1 ～ 127 。由于 127.hhh.hhh.hhh 属于保留地址，用于本地回送测试，所以 A 类地址可标识的网络数量 为 126 个。 A 类地址用后三段数字（ 24 位）表示主机 ID ，所以每个 A 类网络中的主机数量最多为 16777214 （ 224-2 ）。可见， A 类地址适用于大型网络。

(2) B 类地址　 128.000.hhh.hhh ～ 191.255.hhh.hhh 　　 B 类地址用前面 16 位来表示网络 ID ，并规定最前面两位为“ 10” ，即凡是以 10 开始的 IP 地址均属于 B类网络。因此第一段数字的取值范围是 10000000 ～ 10111111 ，十进制表示为 128 ～ 191 。 B 类地址用后两段数字（ 16 位）表示主机 ID ，所以每个 B 类网络中的主机数量最多为 65534 （ 216-2 ）。B 类地址适用于中等大小的网络。

(3) C 类地址　 192.000.000.hhh ～ 223.255.255.hhh 　　 C 类地址用前面 24 位来表示网络 ID ，并规定最前面三位为“ 110” ，即凡是以 110 开始的 IP 地址均属于 C 类网络。因此第一段数字的取值范围是 11000000 ～ 11011111 ，十进制表示为 192 ～ 223 。 C 类地址用最后一段数字（ 8 位）表示主机 ID ，所以每个 C 类网络中的主机数量最多为 254 （ 28-2 ）。C 类地址通常用于校园网或企业局域网等小型网络。

(4) D 类地址　 224.000.000.000 ～ 239.255.255.255　　 D 类地址也称为多播地址，用于多重广播，最前面四位为“ 1110” ，即凡是以 1110 开始的 IP 地址均属于 D 类地址。因此第一段数字的取值范围是 11100000 ～ 11101111 ，十进制表示为 224 ～ 239 。

(5) E 类地址　 240.000.000.000 ～ 255.255.255.255　　 E 类地址是一个通常不用的实验性地址，保留作为以后使用。 E 类地址的最高位为“ 11110” ，即凡是以 11110开始的 IP 地址均属于 E 类地址。因此第一段数字的取值范围是 11110000 ～ 11110111 ，十进制表示为 240 ～ 247 。

IP 地址分类的优越性

既能适应不同的网络规模又具有一定的灵活性

常用的 A 、 B 、 C 3 类 IP 地址可以容纳的网络数和主机数

网络地址

构成

一个有效的网络号和一个全“ 0” 的主机号

举例

IP 地址为 202.93.120.44 的主机所处的网络为 202.

93.120.0 ，主机号为 44

广播地址1. 直接广播

主机向其他网络的所有节点广播信息构成：一个有效的网络号和一个全“ 1” 的主机号举例： 202.93.120.255

发送直接广播前需要知道目的网络的网络号2. 有限广播

(1) 将广播限制在最小的范围内标准的 IP 编址：广播将被限制在本网络之中子网编址：广播被限制在本子网之中

(2) 构成： 255.255.255.255

(3) 发送有限广播前不需要知道网络号

回送地址

1. 回送地址： 127.0.0.0

2. 作用

网络软件测试

本地机器进程间通信

3. 含有网络号 127 的数据报不可能出现在网络上

编址实例

IP 分配需注意的问题

1. 小型网络使用 C 类地址，中型网络使用 B 类地址，大型网络使用 A 类地址

2. 主机连接到同一网络中所有主机的 IP 地址共享同一 netid

3. 路由器路由器可以连接多个物理网络每个连接都拥有自己的 IP 地址每个连接 IP 地址的 netid 应与这个网络的 netid 相同

子网与子网掩码

1. 子网 子网就是把一个大网分割开来而生成的较小网络。在 Internet 或 TCP/IP 网络中，通过路由器连接的网段就是子网，同一子网的 IP 地址必须具有相同的网络地址。

2. 子网掩码 子网掩码也是一组 32 位的二进制数，形式上与 IP 地址一样。同一子网中的子网掩码相同，其作用是确定 IP 地址中的网络地址。 通过子网掩码，可以区分出一个 IP 地址的网络地址和主机地址。方法：子网掩码中的 1 对应的 IP 地址位为网络地址；网掩码中的 0 对应的 IP 地址位为主机地址。

子网编址

问题的提出：

IP 地址能适应于不同的网络规模

个人电脑普及使小型网络（特别是小型局域网络）越来越多

浪费 IP 地址（即使采用 C 类地址）

子网编址的作用：克服 IP 地址浪费

子网地址和子网广播地址1. 子网地址

以二进制全“ 0” 结尾2. 子网直接广播地址

以二进制全“ 1” 结尾3. 有限广播地址

32 位全为“ 1”

广播被限制在本子网内4. 二进制全“ 0” 或全“ 1” 的子网号不能分配

子网编址方法1.IP 地址具有层次结构：网络号和

主机号

2. 子网编址方法

将 IP 地址的主机号部分进一步划分成子网部分和主机部分

从标准 IP 地址的主机号部分“借”位并把它们指定为子网号部分

在“借”用时必须给主机号部分剩余 2 位

在“借”用时至少要借用 2 位

C 类网络的子网划分

子网表示法举例（ 1 ） (1) 标准子网掩码

　　 A 、 B 、 C 三类网络都有一个标准子网掩码（缺省子网掩码），即固定的子网掩码。　　 A 类 IP 地址的标准子网掩码是 255.0.0.0 ，写成二进制是 11111111 00000000 00000000 00000000 ，即前 8 位用于 IP 地址的网络部分，其余 24 位是主机部分。　　 B 类 IP 地址的标准子网掩码是 255.255.0.0 ，写成二进制是 11111111 11111111 00000000 00000000 ，即前 16 位用于 IP 地址的网络部分，其余 16 位是主机部分。　　 C 类 IP 地址的标准子网掩码是 255.255.255.0 ，写成二进制是 11111111 11111111 011111111 00000000 ，即前 24 位用于 IP 地址的网络部分，其余 8 位是主机部分。

子网表示法举例（ 1 ）

1. 借用 B 类 IP 地址的 8 位表示子网子网掩码： 255.255.255.0

子网号： 25

(2) 非标准子网掩码（定制子网掩码）　　用标准的子网掩码划分的 A 、 B 、 C 类网络，每一类网络中的主机数是固定的，造成了地址空间的很大浪费。为了提高 IP 地址的使用效率，通过定制子网掩码 从主机地址高位中再屏蔽出子网位，可将一个网络划分为子网。

方法：从主机位最高位开始借位变为新的子网位，剩余的部分仍为主机位。通过这种划分方法，可建 立更多的子网，而每个子网的主机数相应地有所减少。　　定制子网掩码的方法是：把所有的网络位和子网位用 1来标识，主机位用 0 来标识。即通过子网掩码屏蔽掉 IP 地址中的主机位，保留网络 ID 和子网号。

子网表示法举例（ 2 ）

2. 借用 B 类 IP 地址的 4 位表示子网子网掩码： 255.255.240.0

子网号： 1

实践：子网与子网掩码 1. 子网通过“子网掩码”表示

2. 在局域网上划分子网：

结合 IP 地址和其子网掩码

实践：子网规划

IP 地址分配前需进行子网规划

选择的子网号部分应能产生足够的子网数

选择的主机号部分应能容纳足够的主机

路由器需要占用有效的 IP 地址

实践：在局域网上划分子网

1. 子网编址的初衷是为了避免小型或微型网络浪费 IP 地址

2. 将一个大规模的物理网络划分成几个小规模的子网有时是有益的

各个子网在逻辑上独立

没有路由器的转发，子网之间的主机不能相互通信

局域网上划分子网举例（ 1 ）

局域网上划分子网举例（ 2 ）

以配置该计算机为例

配置计算机的 IP 地址和子网掩码

利用 ipconfig查看网络配置

测试子网划分、 IP 分配和计算机配置是否正确

1. 处于同一子网的计算机是否能够通信？利用 ping 命令（如利用 IP 地址为 192.168.1.17

的计算机去 ping IP 地址为 192.168.1.19 的计算机）

观察 ping 命令输出结果2. 处于不同子网的计算机是否能够通信？

利用 ping 命令（如利用 IP 地址为 192.168.1.17的计算机去 ping IP 地址为 192.168.1.162 的计算机）

观察 ping 命令输出结果

—— 随着计算机性能的提高及通信量的增加，传统局域网已不 堪负荷，交换局域网技术应运而生。

5.1 交换式局域网与虚拟局域网

克服传统以太网的问题

传统以太网中的一些问题 传统以太网使用共享介质，虽然总线带宽为 10M

bps ，但网络节点增多时，网络的负荷加重，冲突和重发增加，网络效率下降、传输延时增加，造成总线带宽为 30~40% ；

服务器端使用 16 位网卡（速率 10MBPS ），使得服务器的网络输入 /输出成为整个网络的瓶颈；

解决方案升级到高速网络，如 100BASE-T(快速以太网 ) 、 FDDI 、 1000BASE-T(千兆位以太网 ) 、 ATM ；发挥现有网络技术，采用网络分段、优化服务器、增加路由器，提高子网的网络性能；使用局域网交换机，将“共享介质局域网”改为“交换式局域网”；

共享式以太网（ Switching Ethernet ）

共享式集线器

使用星型连接的总线型结构

共享式以太网 采用了以共享集线器为

中心的星型连接方式，但其实际上是总线型的拓扑结构；

当网络规模不断扩大时，网络中的冲突就会大大增加，而数据经过多次重发后，延时也相当大，造成网络整体性能下降。在网络节点较多时，以太网的带宽使用效率只有 30%～ 40% 。

共享式以太网存在的主要问题1.覆盖的地理范围有限 以太网覆盖的地理范围随网络速度的增加而减小2. 网络总带宽容量固定

以太网的固定带宽被网络中的所有节点共同拥有节点增加，冲突概率增大，带宽浪费也越严重

3. 不能支持多种速率以太网的传输介质是共享的

交换式以太网

交换机允许三对用户同时通信

A与C、B与F、D与E之间

A

B

C D

E

F

交换式以太网 采用交换机作为中央设备的以太网成为交换式以太网；

交换机提供了多个通道，允许多个用户之间同时进行数据传输 ；

交换式以太网的工作原理 交换机对数据的转发是以网络节点计算机的 MAC 地址

为基础的。 交换机会监测发送到每个端口的数据帧，通过数据帧

中的有关信息（源节点的 MAC 地址、目的节点的 MAC 地址），就会得到与每个端口所连接的节点 MAC地址，并在交换机的内部建立一个“端口 -MAC 地址”映射表。建立映射表后，当某个端口接收到数据帧后，交换机会读取出该帧中的目的节点 MAC 地址，并通过“端口 -MAC 地址”的对照关系，迅速的将数据帧转发到相应的端口。

以太网交换机的工作过程

交换式以太网的特点一 交换式以太网保留了现有以太网的基础设施，而不

必把现有的设备淘汰掉。 以太网交换机可以与现有的以太网集线器相结合，

实现各类广泛的应用。交换机可以用来将超载的网络分段，或者通过交换机的高速端口建立服务器群或者网络的主干，所有这些应用都维持现有的设备不变。

以太网交换技术是一种基于以太网的技术，对用户有较好的熟悉度，易学易用。使用以太网交换机，可以支持虚拟局域网应用，使网络的管理更加灵活。交换式以太网可以使用各种传输介质，支持三类 /五类 UTP、光缆以及同轴电缆，尤其是使用光缆，可以使交换式以太网作为网络的主干。

交换式以太网的特点二

局域网交换机 交换式以太网的核心是交换机。 对称交换机 :根据交换机每个端口的带宽来描述 LA

N 交换方法，它用相同的带宽在端口之间提供交换连接，例如全部为 10Mbps端口或全部为 100Mbps端口。交换机的实际吞吐量为端口数与带宽的乘积。

不对称交换机 : 大多应用于 Client/Server 网络中，在不同带宽的端口间提供了交换连接，例如 10Mbps端口与 100Mbps端口通信。它可以为服务器分配更多的带宽满足网络需求，防止在服务器端产生流量瓶颈。

交换机对数据帧的转发方式

直通交换方式 (Cut-Through) 不接收完整个转发的帧，只收到帧中最前面的源地

址和目的地址即可； 根据目的地址找到相应的交换机端口，并将该帧发

送到该端口； 特点

优点：速度快、延时小；缺点：在转发帧时不进行错误校验，可靠性相对低；另外，不能对不同速率的端口转发， 100 到 10Mbps时就需要缓冲帧。

交换机对数据帧的转发方式二

存储转发交换方式 (Store-and-Forward) 与直接交换方式类似，不同处在于要把信息帧全

部接收到内部缓冲区中，并对信息帧进行校验，一旦发现错误就通知源发送站重新发送帧；

特点优点：可靠性高，能支持不同速率端口之间的转

发；缺点：延迟时间大；交换机内的缓冲存储器有限，当负载较重时，易造成帧的丢失；

5.2.1 虚拟局域网

—— 交换技术的发展， 允许区域分散的组织在逻辑上成为一个新的工作组，而且同一工作组的成员能够改变其物理地址而不必重新配置结点，这就是所谓的虚拟网技术。

虚拟局域网 VLAN

什么是虚拟局域网（ VLAN ） 通过路由和交换设备，在网络的物理拓朴结构基础上建立一个逻辑网络，以使得网络中任意几个局域网网段或（和）节点能够组合成一个逻辑上的局域网。

建立在局域网交换机上，以软件方式实现逻辑工作组的划分与管理，逻辑工作组的节点组成不受物理位置的限制；

同一逻辑分组的成员可以分布在相同的物理网段上，也可以分布在不同的网络上；

房间A 房间B 房间C

1 2 3 4 5 6 7 8 9

交换机 VLAN A：1-3-6-8-9VLAN B：2-4-5-7

VLAN的物理连接结构

VLAN的逻辑结构

VLAN A VLAN B

1

36 8

9

42

5

7

交换机

VLAN 的原理及实现方法 在网络中尽量使用同一厂家的交换机，而且在能用交换

机的地方尽量使用交换机； 使用交换机组建一个范围尽可能大的交换链路，并且让尽可能多的计算机直接连接到交换机上；

层次化地将交换机与交换机相连，要避免使用传统的路由器，以保持整个网络的连通性。

根据应用的需要，使用软件划分出若干个 VLAN 。每个VLAN 上的所有计算机不论其所在的物理位置如何，都处在一个逻辑网中。

VLAN 之间可以互通，也可以不相通。若要实现其中的某些 VLAN 能够互通，则使用一台中央路由器（或者路由交换机），将这些 VLAN互连起来，从而形成一个完整的 VLAN 。

VLAN 的划分方法 基于交换机端口的虚拟局域网

基于交换机端口的虚拟局域网无法自动解决节点的移动、增加和变更问题。如果一个节点从一个端口移动到另一个端口时，网络管理者必须对虚拟局域网成员进行重新配置。

端口 1 2 3 4

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 55

交换机一

交换机二

交换机三

端口

端口

VLAN A VLAN B VLAN C VLAN D

VLAN 中使用集线器

当交换机端口连接的是一个集线器时，由于集线器所支持的是一个共享介质的多用户网络，因此，按交换机端口号的划分方案只能将连接到集线器的所有用户划分到同一个 VLAN 中；

VLAN A VLAN B VLAN C

端口 1 2 3 4

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 55

交换机一

交换机二

集线器端口

端口

基于 MAC 地址的虚拟局域网 根据每个主机的 MAC 地址来划分 VLAN 。

优点： 节点移动到网络其它物理网段，不必重新配置 VLAN; 可以解决基于端口的 VLAN 所不能解决的问题，将一个集线器连

接区域内的节点划分到不同的 VLAN 中。

缺点： 需要对大量的毫无规律的 MAC 地址进行操作； 一旦网卡更换，就要重新配置 VLAN 。

端口 1 2 3 4

1 2 3 4 5 6

1 2 3 4 55

交换机一

交换机二

集线器端口

端口

一个VLAN

MAC地址:00-A0-C9-9C-AA-58 00-07-2C-AB-16-21 04-A8-97-C6-B1 0A-12-2D-B8-2C-01

基于网络层地址的虚拟局域网 使用节点的网络层地址来配置虚拟局域网，要求

交换机能够处理网络层的数据； 有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网； 用户可以随意移动节点而无需重新配置网络地址； 一个虚拟局域网可以扩展到多个交换机的端口上，甚至一个端口能对应于多个虚拟局域网。

由于检查网络层地址比检查MAC 地址的延迟要大，因此，这种方法影响了交换机的交换时间以及整个网络的性能；

VLAN 的其他划分方法

基于 IP组播的虚拟局域网 使用 IP 广播组动态的建立 VLAN ；

基于策略的虚拟局域网 可以同时使用不同划分 VLAN 的方法来建立一个虚拟局域网；

VLAN 的优点 控制网络的广播风暴；确保网络的安全性；简化网络管理；