資訊網路講義

資訊網路 - 網路層

A. 網路層的主要功用

定址

路由

B.IP (IPv4) 定址

　　如同我們要寄平信給朋友，要在信封上寫上收件者的地址，電腦和電腦在傳輸資料(封包)，也需要知道彼址的地址，在Internet所用的IPv4 定址，以4個位元組 (32位元) 來表示，例如140.112.1.2，這四個數字都是介於0到255之間的數字 (一個位元組)，而IP address則是每一個主機所擁有的獨一無二位址，它是由ICANN(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)所指定的，而台灣則由 TWNIC(Taiwan Network Information Center) 所負責，再分配給Tanet和各ISP業者，再分配給 End User。

　　數字的IP不利於人類來記憶，所以目前網路位址均可轉換成有意義的名稱，例如140.112.8.130 可轉成好記 www.ntu.edu.tw，這種指定名稱的方式稱為domain name，提供 domain name轉IP (也可IP轉domain name)的伺服器則稱為DNS(Domain Name Server)。所以一般人很少說：『告訴你一個不錯的網站，它的IP是11.22.33.44』而是說『它的網址是WWW.XXX.OOO』，而請大家特別注意，電腦間傳遞的封包填的地址都是用IP address而不是domain name。

　　IP address可以分為Class A、B、C、D、E五大類，Class A到C如下表所示，Class D (前導位元為1110)，它是用來作為多點傳送 (multicasting)，Class E (前導位元為11110)，目前保留中。

Class 前導位元網路位址長度主機位址長度 IP範圍主機數量網路遮罩 Private IP(私有IP)

Ａ 0 8 bit 24 bit 0.x.x.x ~ 127.x.x.x 16777216 255.0.0.0 10.x.x.x

Ｂ 10 16 bit 16 bit 128.0.x.x ~ 191.255.x.x 65536 255.255.0.0 172.16.x.x ~ 172.31.x.x

Ｃ 110 24 bit 8 bit 192.0.0.x ~ 223.255.255.x 256 255.255.255.0 192.168.0.x ~ 192.168.255.x

特殊的IP位址

主機位址全為0，代表網路

主機位址全為1，代表廣播 (發出訊息給網路上所有電腦)

網路位址與主機位址全為1，即255.255.255.255，為 limit 或 local 廣播

127.x.x.x，代表 loopback，其中最常用的是127.0.0.1

私有IP，只可以在區域網路上使用，不能做為Internet上使用，如上表

子網路遮罩：在為電腦設定IP時，常會伴隨著另外一個數字，代表該位址所在區域網路的規模大小，稱為網路遮罩 (netmask)，Class A到C的預設網路遮罩如上表。

C. 網路遮罩的應用- 切割成子網路 (口訣 : 向主機位址借)

題目1 : 台大分配到一個class B的 IP (140.112.x.x ), 今天想要切成數個子網路來分配使用

case 1 : 不分割 : 1個子網路

第x個子網路
　
子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1
　
140.112.0.0

140.112.0.1 ~ 140.112.255.254

140.112.255.255

255.255.0.0

case 2.a : 分割成2個子網路 , 向主機位址借1個bit - 採用 "子網路不得全為0或1的原則"

第x個子網路

子網路位址

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

0
　
無法使用
　　

2

1
　
無法使用
　　

case 2.b : 分割成2個子網路 , 向主機位址借1個bit

第x個子網路

子網路位址

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

0

140.112.0.0

140.112.0.1 ~ 140.112.127.254

140.112.127.255

255.255.128.0

2

1

140.112.128.0

140.112.128.1 ~ 140.112.255.254

140.112.255.255

255.255.128.0

case 3.a : 分割成4個子網路 , 向主機位址借2個bit - 採用 "子網路不得全為0或1的原則"

第x個子網路

子網路位址

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

00
　
無法使用
　　

2

01

140.112.64.0

140.112.64.1 ~ 140.112.127.254

140.112.127.255

255.255.192.0

3

10

140.112.128.0

140.112.128.1 ~ 140.112.191.254

140.112.191.255

255.255.192.0

4

11
　
無法使用
　　

case 3.b : 分割成4個子網路 , 向主機位址借2個bit

第x個子網路

子網路位址

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

00

140.112.0.0

140.112.0.1 ~ 140.112.63.254

140.112.63.255

255.255.192.0

2

01

140.112.64.0

140.112.64.1 ~ 140.112.127.254

140.112.127.255

255.255.192.0

3

10

140.112.128.0

140.112.128.1 ~ 140.112.191.254

140.112.191.255

255.255.192.0

4

11

140.112.192.0

140.112.192.1 ~ 140.112.255.254

140.112.255.255

255.255.192.0

case 4.a : 分割成256個子網路 , 向主機位址借8個bit - 採用 "子網路不得全為0或1的原則"

第x個子網路

子網路位址

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

00000000

　

無法使用

　

　

2

00000001

140.112.1.0

140.112.1.1 ~ 140.112.1.254

140.112.1.255

255.255.255.0

...
　　　　　

254

11111110

140.112.254.0

140.112.254.1 ~ 140.112.254.254

140.112.254.255

255.255.255.0

255

11111111

　

無法使用

　

　

case 4.b : 分割成256個子網路 , 向主機位址借8個bit

第x個子網路

子網路位址

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

00000000

140.112.1.0

140.112.0.1 ~ 140.112.0.254

140.112.0.255

255.255.255.0

2

00000001

140.112.1.0

140.112.1.1 ~ 140.112.1.254

140.112.1.255

255.255.255.0

...
　　　　　

254

11111110

140.112.254.0

140.112.254.1 ~ 140.112.254.254

140.112.254.255

255.255.255.0

255

11111111

140.112.255.0

140.112.255.1 ~ 140.112.255.254

140.112.255.255

255.255.255.0

case 5.a : 分割成512個子網路 , 向主機位址借8個bit - 採用 "子網路不得全為0或1的原則"

留做作業

case 5.b : 分割成512個子網路 , 向主機位址借8個bit

留做作業

題目2 : 明志工管系分配到一個class C的 IP (210.3.4.x ), 今天想要切成數個子網路來分配使用

case 1 : 不分割 : 1個子網路

第x個子網路
　
子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1
　
210.3.4.0

210.3.4.1 ~ 210.3.4.254

210.3.4.255

255.255.255.0

case 2.a : 分割成2個子網路 , 向主機位址借1個bit - 採用 "子網路不得全為0或1的原則"

第x個子網路

子網路位址

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

0
　
無法使用
　　

2

1
　
無法使用
　　

case 2.b : 分割成2個子網路 , 向主機位址借1個bit

第x個子網路

子網路位址

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

0

210.3.4.0

210.3.4.1 ~ 210.3.4.126

210.3.4.127

255.255.255.128

2

1

210.3.4.128

210.3.4.129 ~ 210.3.4.254

210.3.4.255

255.255.255.128

case 3.a : 分割成4個子網路 , 向主機位址借2個bit - 採用 "子網路不得全為0或1的原則"

第x個子網路

子網路位址

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

00
　
無法使用
　　

2

01

210.3.4.64

210.3.4.65 ~ 210.3.4.126

210.3.4.127

255.255.255.192

3

10

210.3.4.128

210.3.41291 ~ 210.3.4.190

210.3.4.191

255.255.255.192

4

11
　
無法使用
　　

case 3.b : 分割成4個子網路 , 向主機位址借2個bit

第x個子網路

子網路位址

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

00

210.3.4.0

210.3.4.1 ~ 210.3.4.62

210.3.4.63

255.255.255.192

2

01

210.3.4.64

210.3.4.65 ~ 210.3.4.126

210.3.4.127

255.255.255.192

3

10

210.3.4.128

210.3.4.129 ~ 210.3.4.190

210.3.4.191

255.255.255.192

4

11

210.3.4.192

210.3.4.193 ~ 210.3.4.254

210.3.4.255

255.255.255.192

case 4.a : 分割成8個子網路 , 向主機位址借3個bit - 採用 "子網路不得全為0或1的原則"

留做作業

case 4.b : 分割成8個子網路 , 向主機位址借3個bit

留做作業

　

D. 網路遮罩的應用- 合併網路成為超網路 (口訣 : 向網路位址借)

另一種實際應用 : 節省路由表

合併的必要條件 :

2的冪方數

2進位的連續

題目1 : 明志分配到 2個class C的 IP (210.3.4.x ~ 210.3.5.x ), 今天想要合併2個網路成為1個超網路

合併2個網路成為超網路 , 向網路位址借1個bit (首先要check是否符合必要條件)

合併前

第x個網路

網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

210.3.4.0

210.3.4.1 ~ 210.3.4.254

210.3.4.255

255.255.255.0

2

210.3.5.0

210.3.5.1 ~ 210.3.5.254

210.3.5.255

255.255.255.0

合併後

第x個網路

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

210.3.4.0

210.3.4.1 ~ 210.3.5.254

210.3.5.255

255.255.254.0

題目2 : 明志分配到 2個class C的 IP (210.3.5.x ~ 210.3.6.x ), 今天想要合併2個網路成為1個超網路

合併2個網路成為超網路 , 向網路位址借1個bit (首先要check是否符合必要條件)

不符合必要條件, 所以無法合併

題目3 : 明志分配到 4個class C的 IP (210.3.4.x ~ 210.3.7.x ), 今天想要合併4個網路成為1個超網路

合併4個網路成為超網路 , 向網路位址借2個bit (首先要check是否符合必要條件)

合併前

第x個網路

網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

210.3.4.0

210.3.4.1 ~ 210.3.4.254

210.3.4.255

255.255.255.0

2

210.3.5.0

210.3.5.1 ~ 210.3.5.254

210.3.5.255

255.255.255.0

3

210.3.6.0

210.3.6.1 ~ 210.3.6.254

210.3.6.255

255.255.255.0

4

210.3.7.0

210.3.7.1 ~ 210.3.7.254

210.3.7.255

255.255.255.0

合併後

第x個網路

子網路用IP

有效IP

廣播用IP

子網路遮罩

1

210.3.4.0

210.3.4.1 ~ 210.3.7.254

210.3.7.255

255.255.252.0

E. IP 封包的結構 (重要欄位):

Identification : 封包識別碼

Time to live (TTL) : 存活時間

Protocol : 上層協定

Source Address : 來源端的IP address

Destination Address : 目地端的IP address

F. IP 路由 :

路由表 - 記載通往網路節點(路由器)的路徑

路由表的建立方式

靜態路由 : 手動建立

動態路由 : 採用某種路由協定, 由路由器彼此交換路由表而產生

[靜態路由 ]個人電腦的路由表 : 在命令提示字元下打 route print
C:\Documents and Settings\user1>route print
===========================================================================
Interface List
0x1 ........................... MS TCP Loopback interface
0x2 ...00 13 d4 77 e5 0d ...... Intel(R) PRO/1000 CT Network Connection - Packet
 Scheduler Miniport
===========================================================================
===========================================================================
Active Routes:
Network Destination        Netmask          Gateway       Interface  Metric
          0.0.0.0          0.0.0.0  210.240.238.254  210.240.238.214      20
        127.0.0.0        255.0.0.0        127.0.0.1       127.0.0.1       1
    210.240.238.0    255.255.255.0  210.240.238.214  210.240.238.214      20
  210.240.238.214  255.255.255.255        127.0.0.1       127.0.0.1       20
  210.240.238.255  255.255.255.255  210.240.238.214  210.240.238.214      20
        224.0.0.0        240.0.0.0  210.240.238.214  210.240.238.214      20
  255.255.255.255  255.255.255.255  210.240.238.214  210.240.238.214      1
Default Gateway:   210.240.238.254
===========================================================================
Persistent Routes:
  None

C:\Documents and Settings\user1>
    
[靜態路由 ]路由器的路由表 - Case 1 : 1部路由器接2個區域網路, 不對外

R1的路由表

Network Netmask Gateway Interface Metric

222.8.1.0 255.255.255.0 222.8.1.254 222.8.1.254 1

222.8.2.0 255.255.255.0 222.8.2.254 222.8.2.254 1

[靜態路由 ]路由器的路由表 - Case 2 : 2部路由器接3個區域網路, 不對外

R1的路由表

Network Netmask Gateway Interface Metric

222.8.1.0 255.255.255.0 222.8.1.254 222.8.1.254 1

222.8.2.0 255.255.255.0 222.8.2.254 222.8.2.254 1

222.8.3.0 255.255.255.0 222.8.2.253 222.8.2.254 2

R2的路由表

Network Netmask Gateway Interface Metric

222.8.1.0 255.255.255.0 222.8.2.254 222.8.2.253 2

222.8.2.0 255.255.255.0 222.8.2.253 222.8.2.253 1

222.8.3.0 255.255.255.0 222.8.3.254 222.8.3.254 1

[靜態路由 ]路由器的路由表 - Case 3 : 3部路由器接3個區域網路, 要對外

R1的路由表

Network Netmask Gateway Interface Metric

0.0.0.0 0.0.0.0 222.8.1.253 222.8.1.254 2

222.8.1.0 255.255.255.0 222.8.1.254 222.8.1.254 1

222.8.2.0 255.255.255.0 222.8.2.254 222.8.2.254 1

222.8.3.0 255.255.255.0 222.8.2.253 222.8.2.254 2

R2的路由表

Network Netmask Gateway Interface Metric

0.0.0.0 0.0.0.0 222.8.2.254 222.8.2.253 3

222.8.1.0 255.255.255.0 222.8.2.254 222.8.2.253 2

222.8.2.0 255.255.255.0 222.8.2.253 222.8.2.253 1

222.8.3.0 255.255.255.0 222.8.3.254 222.8.3.254 1

R3的路由表

Network Netmask Gateway Interface Metric

0.0.0.0 0.0.0.0 　 211.9.9.9 1

222.8.1.0 255.255.255.0 222.8.1.253 222.8.1.253 1

222.8.2.0 255.255.255.0 222.8.1.254 222.8.1.253 2

222.8.3.0 255.255.255.0 222.8.1.254 222.8.1.253 3

[動態路由 ]採用某種路由協定, 由路由器彼此交換路由表而產生

R1的路由表

Network Netmask Gateway Interface Metric

222.8.1.0 255.255.255.0 222.8.1.254 222.8.1.254 1

222.8.2.0 255.255.255.0 222.8.2.254 222.8.2.254 1

　　　　　

R2的路由表

Network Netmask Gateway Interface Metric

　　　　　

222.8.2.0 255.255.255.0 222.8.2.253 222.8.2.253 1

222.8.3.0 255.255.255.0 222.8.3.254 222.8.3.254 1

[動態路由 ] RIP (Routing Information Protocol) - 採用 Distance Vector Algorithm (成本計算採用hop數)

G. 思考 : 靜態路由 v.s. 動態路由

H. 路由器決定路徑的步驟

將收到的IP封包的目的IP位與路由表比對(使用mask), 找出 match的紀錄
- 比 mask 最多1的 (最精確的)
- 比成本
以個人電腦的路由表為例
思考 : 路由表的紀錄的行數

I. 網路層的另2個協定 - ARP 與 ICMP (輔助IP之用)

ARP : address resolution protocol , 以網路地址來詢問資料連結層地址 (以IP來詢問MAC)

ARP cache

ICMP : Internet Control Message Protocol

echo request

echo reply

destination unreachable

time exceed

ICMP 工具

ping : echo request + echo reply

tracert : echo request + time exceed + echo reply

資訊網路講義 P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9

Class	前導位元	網路位址長度	主機位址長度	IP範圍	主機數量	網路遮罩	Private IP(私有IP)
Ａ	0	8 bit	24 bit	0.x.x.x ~ 127.x.x.x	16777216	255.0.0.0	10.x.x.x
Ｂ	10	16 bit	16 bit	128.0.x.x ~ 191.255.x.x	65536	255.255.0.0	172.16.x.x ~ 172.31.x.x
Ｃ	110	24 bit	8 bit	192.0.0.x ~ 223.255.255.x	256	255.255.255.0	192.168.0.x ~ 192.168.255.x

第x個子網路		子網路用IP	有效IP	廣播用IP	子網路遮罩
1		140.112.0.0	140.112.0.1 ~ 140.112.255.254	140.112.255.255	255.255.0.0

第x個子網路	子網路位址	子網路用IP	有效IP	廣播用IP	子網路遮罩
1	0		無法使用
2	1		無法使用

第x個網路	網路用IP	有效IP	廣播用IP	子網路遮罩
1	210.3.4.0	210.3.4.1 ~ 210.3.4.254	210.3.4.255	255.255.255.0
2	210.3.5.0	210.3.5.1 ~ 210.3.5.254	210.3.5.255	255.255.255.0

Network	Netmask	Gateway	Interface	Metric
222.8.1.0	255.255.255.0	222.8.1.254	222.8.1.254	1
222.8.2.0	255.255.255.0	222.8.2.254	222.8.2.254	1