模块 11-12：IPv4 和 IPv6

第三次课

  • 一、IP 地址和子网掩码

    • IP 地址的用途
      • 标识网络中特定主机的 逻辑地址，需唯一无冲突，用于 Internet 通信。
      • 每个数据包包含源 IP 和目的 IP，网络设备通过地址确保数据收发准确。
      • 分配对象：网卡（NIC）、工作站、服务器、IP 电话、智能手机等终端，以及路由器接口（如默认网关）。
      • 特殊情况：单块网卡可配置多个 IP 地址（无线 AP 实验关键）。
    • IPv4 地址的结构
      • 本质：32 位二进制数字串，采用 点分十进制记法（8 位为一组，共 4 个八位字节）。
      • 格式示例：192.168.1.5、10.10.10.34，每个八位字节取值范围 0-255（对应二进制 00000000-11111111）。
      • 地址总量：2³²≈40 亿个，是目前 Internet 最通用的 IP 地址形式。
    • IPv4 地址的组成部分
      • 层次性结构：分为 网络部分（标识主机所属网络）和 主机部分（标识网络内特定主机），缺一不可。
      • 示例：IP 地址 192.168.1.100，默认前 3 个八位字节（192.168.1）为网络部分，最后 1 个（100）为主机部分（分层寻址：先找网络，再找主机）。
      • 对比：IP 地址是分层寻址（类似通信地址），MAC 地址是无层次寻址（类似人名）。
    • 子网掩码
      • 定义：32 位二进制数，点分十进制记法，用于区分 IP 地址的网络部分和主机部分。
      • 规则：二进制形式“前一串 1+后一串 0”，“1”对应网络部分（含子网部分，详见第六次课），“0”对应主机部分。
      • 常见类型（家庭/小型企业常用）：
        • 255.0.0.0（8 位 1，记为 /8，格式 N.H.H.H）
        • 255.255.0.0（16 位 1，记为 /16，格式 N.N.H.H）
        • 255.255.255.0（24 位 1，记为 /24，格式 N.N.N.H）
      • 核心意义：无子网掩码的 IP 地址无实际意义，决定主机 ID 的比特位数（在线考试考点）。
    • 子网掩码相关计算题
      • （1）可分配主机数量计算
        • 公式：2^（主机部分位数）- 2
        • 原理：主机部分全 0 为网络地址，全 1 为广播地址，均不可分配给主机。
        • 示例：子网掩码 255.255.255.0（主机部分 8 位），可分配主机数 = 2⁸ - 2 = 254。
      • （2）网络地址计算
        • 方法：IP 地址与子网掩码转换为二进制后，逐位进行 逻辑与运算（0&0=0、0&1=0、1&0=0、1&1=1）。
        • 结果：网络部分保留，主机部分全 0，即该 IP 所属的网络地址。
        • 示例：IP 192.168.1.44 + 子网掩码 255.255.255.0，运算后网络地址为 192.168.1.0。
    • 通信逻辑判断
      • 同一网络：源 IP 与目的 IP 的网络地址相同，数据包本地传送（不经过路由器）。
      • 不同网络：网络地址不同，数据包转发至默认网关，再路由至目标网络。
      • 实验关键：设备通信需“物理通+逻辑通”，若 ping 不通/无法访问，大概率是 IP 不在同一逻辑网络（需修改 IP 至同一网段）。

  • 二、IPv4 地址的类型

    • 地址分类（A/B/C/D/E 类）

      • 表格说明：

        地址类 第一个八位字节范围 地址最高位特征 网络部分 / 主机部分 默认子网掩码 可容纳网络数 每个网络可容纳主机数 适用场景
        A 类 1-127 最高位为 0 1 个八位字节 / 3 个八位字节 255.0.0.0（/8） 2^(8-1)-2=126 2^24-2=16777214（约 1600 万） 大型组织
        B 类 128-191 最高两位为 10 2 个八位字节 / 2 个八位字节 255.255.0.0（/16） 2^(16-2)-2=65534 2^16-2=65534（约 6.5 万） 中型网络
        C 类 192-223 最高三位为 110 3 个八位字节 / 1 个八位字节 255.255.255.0（/24） 2^(24-3)-2=2097150 2^8-2=254 小型网络
        D 类 224-239 最高四位为 1110 -（组播专用） - 无（组播地址池） 无（不可分配给主机） 组播通信
        E 类 240-255 最高四位为 1111 -（实验专用） - 无（预留未分配） 无（不可分配给主机） 科研测试

        • 补充说明：

          • 可容纳网络数计算逻辑：网络部分需扣除 “全 0”（网络地址无效）和 “全 1”（广播地址无效）的特殊情况，故减去 2；A 类最高位固定为 0（占 1 位），网络位实际可用 7 位；B 类最高两位固定为 10（占 2 位），网络位实际可用 14 位；C 类最高三位固定为 110（占 3 位），网络位实际可用 21 位。
          • 每个网络可容纳主机数计算逻辑：主机部分扣除 “全 0”（网络地址）和 “全 1”（广播地址）的特殊情况，故减去 2。

        • 示例：清华 166.111.*.*（B 类），浙大 210.32.*.*（C 类）、后来 222.205.*.*（C 类），北大 162.105.*.*（B 类）。

    • 公有地址与私有地址

      • （1）核心背景
        • IPv4 地址已耗尽（2011 年 ICANN 宣布分配完毕），私有地址是缓解方案，仅用于内部网络，不可直接访问 Internet。
      • （2）私有地址范围（RFC1918 标准）
        • A 类：10.0.0.0-10.255.255.255（1 个网络，约 1600 万地址/网络）
        • B 类：172.16.0.0-172.31.255.255（16 个网络，约 6.5 万地址/网络）
        • C 类：192.168.0.0-192.168.255.255（256 个网络，254 地址/网络）
      • （3）关键特性
        • 私有地址不可在 Internet 路由，多个组织可重复使用，无冲突风险。
        • 安全优势：外部无法直接访问私有地址（如 Ping 通）。
        • 访问 Internet 的前提：通过 网络地址转换（NAT） 将私有地址转为公有地址。

    • NAT（网络地址转换）

      • 作用：实现私有地址与公有地址的双向转换，是内网访问外网的核心技术。
      • 工作原理：
        • 传出（内网→外网）：将数据包的私有源 IP 转为公有源 IP（如路由器 WAN 口地址）。
        • 传入（外网→内网）：将公有目的 IP 转为私有目的 IP。
      • 比喻：类似公司前台，通过“总机号码（公有地址）”转接“内部分机号（私有地址）”。
      • 路由器接口要求：
        • 常规情况：路由器 WAN 口（外网口）分配 ISP 提供的公有地址，LAN 口（内网口）分配私有地址，二者必须属于不同网络（网络部分不同）。
        • 特殊情况（如家用无线路由器）：WAN 口也可能是私有地址，但仍需与 LAN 口的私有地址分属不同网络。
      • 实际实例：浙江大学内网使用 10.* 类 A 私有地址，校内设备通信无需转换；当需访问外网时，通过 NAT 将 10.* 地址转为浙大公有地址（210.32.*.*、222.205.*.* 等），再接入 Internet。
      • 额外优势：私有地址仅在本地网络可见，外部无法直接 Ping 通或访问，间接提升了内网安全性。
    • 特殊 IPv4 地址
      • 环回地址：127.0.0.0 /8（127.0.0.1 至 127.255.255.254），核心用途是测试网卡及 TCP/IP 协议安装是否正常，主机通过该地址将流量指向自身（localhost=127.0.0.1），无需经过物理网络。
      • APIPA 地址：169.254.0.0 /16（169.254.0.1 至 169.254.255.254），属于自动私有 IP 编址，仅 Windows 主机在无 DHCP 服务器分配 IP 时自动配置（自我配置），出现该地址通常意味着地址异常、通信一般也异常；Linux 和 OS X 系统自动获取 IP 失败时不会分配此类地址。
      • TEST-NET 地址：192.0.2.0 /24（192.0.2.0 至 192.0.2.255），专门留作教学、文档示例及网络测试使用，不用于实际生产网络部署。
    • 单播、广播、组播地址
      • （1）单播地址
        • 用途：一对一通信，标识特定主机。
        • 要求：数据包需同时包含单播 IP 地址（包头）和单播 MAC 地址（以太网帧头）。
      • （2）广播地址
        • 用途：一对所有通信，本地网络（广播域）所有主机接收数据包。

        • 分类与格式：

          • 定向广播地址：IP 地址主机部分全 1（如 C 类 192.168.1.0 网络的广播地址为 192.168.1.255，B 类 172.16.0.0 网络的广播地址为 172.16.255.255）。
          • 受限广播地址：255.255.255.255，仅在本地子网内广播，不被路由器转发 - MAC 格式：FF-FF-FF-FF-FF-FF（48 位全 1）。 - 应用：ARP、DHCP 等协议依赖广播。 - （3）组播地址 - 用途：一对多通信（如远程游戏、视频会议）。 - IP 范围：224.0.0.0-239.255.255.255（D 类地址），仅作为目的地址，源地址为单播。 - MAC 格式：以 01-00-5E 开头，后缀 6 个十六进制字符换算自组播 IP 的低 23 位（如组播 IP 224.15.100.197，二进制为 11100000.00001111.01100100.11000101，提取低 23 位 0001111.01100100.11000101，换算为十六进制是 0F-64-C5，最终组播 MAC 为 01-00-5E-0F-64-C5）。

  • 三、IPv6 地址

    • 引入背景
      • IPv4 局限：地址总量仅 40 亿，无法满足亿级新设备（手机、家电、物联网设备）需求，2011 年已耗尽。
      • IPv6 优势：128 位地址空间，总量达 3.4×10³⁸ 个（地球每平方米约 6.6×10²⁰ 个地址），彻底解决地址短缺问题。
    • IPv6 地址结构与表示方法
      • 本质：128 位二进制数，按 16 位为一组划分，共 8 组，每组转换为十六进制表示（字符 A-F 不区分大小写）。
      • 标准格式：x:x:x:x:x:x:x:x（每组为 16 位十六进制数），示例：2031:0000:130F:0000:0000:09C0:876A:130B。
      • 简化规则：
        • 组内前导零可省略：如 09C0→9C0、0029→29、0000→0。
        • 连续零组缩写为 “::”：仅能使用一次（避免歧义），例：0:0:0:0:0:0:0:1→::1（对应 IPv4 的 127.0.0.1）；2031:0000:130F:0000:0000:09C0:876A:130B→2031:0:130F::9C0:876A:130B（错误示例：不可写成 2031::130F::9C0:876A:130B）。
      • 前缀长度：类似 IPv4 子网掩码，用 “/ 前缀长度” 表示（范围 0-128），典型为 /64（前 64 位为网络前缀，后 64 位为接口 ID，即主机部分）。
    • IPv6 地址类型
      • （1）单播地址（唯一标识设备接口）
        • 全局单播地址（GUA）：类似 IPv4 公有地址，Internet 可路由，分配自 2000::/3 地址块（ICANN→RIR→组织）。
        • 本地链路地址（LLA）：地址块 FE80::/10，用于同一链路/子网内通信，每个 IPv6 接口必配（自动生成或手动配置）。
        • 唯一本地地址：类似 IPv4 私有地址，地址块 FC00::/7，用于内部网络或少量站点间通信。
      • （2）组播地址（一对多通信）
        • 前缀：FF00::/8，分为分配的组播地址和请求节点组播地址。
        • 常见分配组播地址：
          • FF02::1：全节点组播组（所有 IPv6 设备接收，替代 IPv4 广播）。
          • FF02::2：全路由组播组（所有 IPv6 路由器接收）。
        • 请求节点组播地址：格式 FF02::1:FFxx:xxxx，后 24 位取自设备单播地址后 24 位，映射特殊以太网 MAC 地址，用于帧过滤。
      • （3）任播地址（分配给多个设备）
        • 用途：数据包路由至最近的拥有该地址的设备，IPv6 特有（无广播地址）。
    • IPv4 与 IPv6 共存技术
      • 双堆栈：设备同时运行 IPv4 和 IPv6 协议栈，支持两种地址通信。
      • 隧道：将 IPv6 数据包封装到 IPv4 数据包中，通过 IPv4 网络传输。
      • 转换（NAT64）：实现 IPv6 设备与 IPv4 设备的通信，完成数据包协议转换。
    • 中国 IPv6 发展政策与目标
      • （1）核心规划
        • 2017 年《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》：5-10 年建成全球最大 IPv6 商业应用网络。
        • 2021-2023 年《IPv6 流量提升三年专项行动计划》：推动 IPv6 从“通路”到“通车”，从“能用”到“好用”。
        • 2025 年目标：IPv6 活跃用户 8.5 亿，物联网 IPv6 连接数 11 亿，移动网络 IPv6 流量占比 70%，固定网络占比 27%。
      • （2）关键任务
        • 网络改造：LTE 网络、固定网络、互联网骨干直联点 IPv6 改造。
        • 终端支持：新生产终端（手机、路由器、智能电视）默认支持 IPv4/IPv6 双栈，存量终端升级。
        • 应用升级：政府网站、Top100 互联网应用、工业互联网、物联网等 IPv6 改造。

  • 四、获取 IP 地址的方式

    • 静态地址分配
      • （1）配置方式
        • 网络管理员手工配置主机网络信息，至少包含：IP 地址、子网掩码、默认网关（可选 DNS 服务器地址）。
        • 操作步骤（Win10/2019）：网络图标→网络和 Internet 设置→更改适配器选项→网卡属性→Internet 协议版本 4（TCP/IPv4）→手动输入参数。
        • 操作步骤（Win11）：控制面板→网络和共享中心→更改适配器选项→网卡属性→TCP/IPv4→手动输入参数。
      • （2）优缺点
        • 优点：地址固定，适合服务器、网络打印机等需稳定访问的设备。
        • 缺点：配置繁琐，用户数量变化时需手动调整，易出现地址冲突。
    • 动态地址分配（DHCP）
      • （1）配置方式
        • 通过 动态主机配置协议（DHCP） 自动分配 IP 地址、子网掩码、默认网关、DNS 等信息（详见第六次课）。
        • 操作步骤：TCP/IPv4 属性中选择“自动获得 IP 地址”“自动获得 DNS 服务器地址”。
        • 无线网卡特殊设置（Win10/11）：网络和 Internet 设置→WLAN→对应网络→IP 分配→选择“自动（DHCP）”。
      • （2）优缺点
        • 优点：配置便捷，自动分配地址，避免冲突，适合用户数量频繁变化的网络（如办公网、校园网）。
        • 缺点：地址动态变化，不适合需固定地址访问的设备。
    • 特殊操作：单块网卡配置多个 IP 地址
      • 意义：解决无线 AP 实验思考题的关键。
      • 配置路径：TCP/IPv4 属性→高级→添加多个 IP 地址和子网掩码（需手动输入不同网段或同网段的不同 IP）。