CCNA Exploration - 网络基础知识
6 网络编址 - IPv4
6.0 本章简介
6.0.1 本章简介
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编址是网络层协议的关键功能，可使位于同一网络或不同网络中的主机之间实现数据通信。Internet 协议第四版 (IPv4) 为传送数据的数据包提供分层编址。
设计、实施和管理有效的 IPv4 编址规划能确保网络高效率地有效运行。
本章将详细分析 IPv4 地址的结构及其在建立和测试 IP 网络与子网中的应用。
在本章中，您将学会：
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解释 IP 地址的结构并掌握换算 8 位二进制和十进制数字的能力。
按照类型对给定的 IPv4 地址分类并描述其在网络中的使用方式。 说明 ISP 如何将地址分配给网络以及管理员如何在网络内分配地址。 确定主机地址的网络部分并说明子网掩码在划分网络中的作用。
根据给定的 IPv4 地址信息和设计标准，计算相应的地址组成部分。 在主机上使用常用的测试实用程序来验证和测试网络连通性以及 IP 协议栈的运行状态。
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6.1 IPv4 地址
6.1.1 剖析 IPv4 地址
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网络中的每台设备都必须具有唯一定义。在网络层，需要使用通信两端系统的源地址和目的地址来标识该通信的数据包。采用 IPv4，就意味着每个数据包的第 3 层报头中都有一个 32 位源地址和一个 32 位目的地址。
数据网络中以二进制形式使用这些地址。设备内部则运用数字逻辑解释这些地址。但是在以人为本的网络中，我们却难以解读 32 位字符串，要记住它更是难上加难。因此，我们使用点分十进制格式来表示 IPv4 地址。
点分十进制
以点分十进制表示 IPv4 地址的二进制形式时，用点号分隔二进制形式的每个字节（称为一个二进制八位数）。之所以称为二进制八位数，是因为每个十进制数字代表一个字节，即 8 个位。
例如，地址
10101100000100000000010000010100
的点分十进制表示为：
172.16.4.20
请注意，设备使用的是二进制逻辑。采用点分十进制是为了方便人们使用和记忆地址。
网络部分和主机部分
每个 IPv4 地址都会用某个高阶比特位部分来代表网络地址。在第 3 层，我们将网络定义为网络地址部分的比特模式相同的一组主机。
尽管全部 32 个比特位定义的都是 IPv4 主机地址，但我们将其中数量不等的比特位称为该地址的主机部分。此主机部分中使用的比特位数决定了网络中可以容纳的主机数量。
单击图中的标签可以查看地址的不同部分。
例如，倘若某个特定网络至少需要容纳 200 台主机，则需要在主机部分使用足够的比特位才能代表至少 200 个不同的比特模式。
要为 200 台主机分配唯一地址，需要使用最后一个二进制八位数的全部八个比特位。使用 8 个位共计可得到 256 个不同的比特模式。这表示前三个二进制八位数的所有比特位将代表网络部分。
注：本章稍后将介绍如何计算主机数量以及如何确定 32 个比特位中代表网络的部分。 显示视觉媒体
6.1.2 了解数字 - 二进制到十进制的转换
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要了解设备在网络中的运行，需要以设备使用的方式（即二进制记法）来查看地址和其它数据。这意味着我们需要具备将二进制转换为十进制的一些技能。
以二进制表示的数据对于以人为本的网络来说可能代表很多不同形式的数据。在本文的讨论中，我们所指的二进制与 IPv4 编址有关。也就是说，我们将每个字节（二进制八位数）视为从 0 到 255 范围内的一个十进制数字。
位置记数法
要学习将二进制转换为十进制，需要先了解一个数制系统的数学基础知识，该数制系统称为位置记数法。位置记数法即数字根据其所占用的位置来表示不同的值。具体来说，数字代表的值等于该数字乘以它所在位的基数（即基）的幂次所得的积。我们可以举例说明此数制系统的原理。
以十进制数字 245 为例，2 表示的值是 2*10^2（2 乘以 10 的 2 次幂）。2 位于我们通常称为“百位”的位置。位置记数法称此位置为基数的 2 次幂位置，因为基数（即基）是 10 而幂是 2。
在基数为 10 的数制系统中使用位置记数法时，245 表示：
245 = (2 * 10^2) + (4 * 10^1) + (5 * 10^0) 或
245 = (2 * 100) + (4 * 10) + (5 * 1)
二进制数制系统
在二进制数制系统中，基是 2。因此，每个位置代表 2 的幂，幂次逐位增加。在 8 位二进制数中，各个位置分别代表以下数量：
2^7 2^6 2^5 2^4 2^32^2 2^1 2^0
128 64 32 16 8 4 2 1
基数为 2 的数制系统只有两个数字：0 和 1。
如图所示，当我们将一个字节转换为十进制数字时，如果某个位置的数字为 1，则计入该位置所代表的数量，而如果该数字为 0，则不计入其数量。
1 1 1 1 1 1 1 1
128 64 32 16 8 4 2 1
各个位置上的数字 1 都表示要将该位置的值计入总数。以下是一个二进制八位数的每个位置都为 1 时的累加算法。总数为 255。
128 + 64 + 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1 = 255
各个位置上的数字 0 都表示该位置的值不计入总数。每个位置均为 0 时得出的总数为 0。
0 0 0 0 0 0 0 0
128 64 32 16 8 4 2 1