IP地址分配与中继设备

1. TCP/IP模型

TCP/IP协议是在OSI参考模型出现之间就被开发的，并广泛部署在计算机网络中。但是，后来由于概念混淆，TCP/IP模型的层次和名称往往与OSI模型的层次名称相互借用。如图1.所示。

图1. OSI模型与TCP/IP模型对比

TCP/IP是一个由许多单独协议组成的开放的协议栈，TCP/IP四层协议分别是指：应用层、传输层(也称，主机到主机层)、网际层和网络接入层，各层的协议如图2.所示。

图2. TCP/IP协议栈包含的协议

2. IP地址表示及分类

IP地址等于网络地址加上主机地址，网络地址表示其属于互联网的哪一个网络，主机地址表示其属于该网络中的哪一台主机。二者是主从关系。IP被分为A、B、C、D、E五类，如表所示。其中D类子网被用于多播，E类子网被保留将来使用。IP地址由四段组成，每段一个字节八位。

图3. IP地址分类

A类：(1.0.0.0-126.0.0.0)第一个字节为网络号，后三个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“0”，所以地址的网络号取值于1~126之间。一般用于大型网络。

• 默认子网掩码：255.0.0.0或 0xFF000000
• 其中私有地址范围是：10.0.0.0～10.255.255.255

B类：(128.0.0.0-191.255.0.0)前两个字节为网络号，后两个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“10”，所以地址的网络号取值于128~191之间。一般用于中等规模网络。

• 默认子网掩码：255.255.0.0或0xFFFF0000
• 其中私有地址范围是：172.16.0.0～172.31.255.255

C类：(192.0.0.0-223.255.255.0)前三个字节为网络号，最后一个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“110”，所以地址的网络号取值于192~223之间。一般用于小型网络。

• 子网掩码：255.255.255.0或 0xFFFFFF00
• 其中私有地址范围是：192.168.0.0～192.168.255.255

D类：是多播地址。该类IP地址的最前面为“1110”，所以地址的网络号取值于224~239之间。一般用于多路广播用户。

E类：是保留地址。该类IP地址的最前面为“1111”，所以地址的网络号取值于240~255之间。

在这些IP地址中，按照用途的范围又可以分为公有地址和私有地址两大类，公用地址在Internet中使用，可以在Internet中随意访问。私有地址只能在内部网络中使用，只有通过代理服务器才能与Internet通信。使用保留地址的网络只能在内部进行通信，而不能与其他网络互连。因为本网络中的保留地址同样也可能被其它网络使用，如果进行网络互连，那么寻找路由时就会因为地址的不唯一而出现问题。

子网掩码的作用是计算网络标识，即IP地址 & 子网掩码 = 网络标识。

图4. 网络标识计算

3. 网络中继设备

计算机网络由不同类型的网络相互连接组成，将这些网络单元连接起来的设备称之为中继，根据中继系统所在的层次，可以将中继分为如下几类：

图5. 中继设备的分类

各类设备的功能可以概括为：

• 转发器：用于连接多个以太网段并且侦听每个网段，主要功能是延伸网段和改变传输媒体，从而实现信息位的转发。
• 交换机：交换机工作于OSI参考模型的第二层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过ARP协议学习它的MAC地址，保存成一张ARP表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口。如果MAC地址表中没有，将数据发给所有端口进行广播。如果广播后还没有回应，则将数据发送给上级的路由器。
• 路由器：连接广域网使用，接收到LAN口的数据，转发给WAN口，然后根据路由表来选择路径进行转发。
• 网关：一种复杂的网络连接设备，可以支持不同协议之间的转换，实现不同协议网络之间的互连。网关具有对不兼容的高层协议进行转换的能力，能够实现异构设备之间的通信。

下图为网络设备连接拓扑图：

图6. 网络连接拓扑图

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