IP 基礎與定址

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1 本章重點 第 7 章 IP 基礎與定址 IP 基礎 7-2 IP 封包的傳送模式 7-3 IP 位址表示法 7-4 IP 位址的等級 7-5 子網路 (Subnet) 7-6 無等級的 IP 位址 7-7 網路位址轉譯 (NAT) 實作練習 : Note: Some slides and/or pictures in the following are adapted from slides 2015 旗標出版股份有限公司. 2 前言 網路層負責在網路系統之間傳送訊息, 亦即將訊息從來源端傳送到目的端 網路層的主要功能如下 : 定址 (Addressing): 賦予網路裝置名稱或位址 路由 (Routing): 決定封包在網路之間的傳送路徑 網路層中有不少是大家耳熟能詳的協定, 例如 : TCP/IP 的 IP (Internet Protocol), IPX/SPX 的 IPX (Internetwork Packet Exchange) 等等 7-1 IP 基礎 Internet Protocol (IP, 網際網路協定 ) 是整個 TCP/IP 協定組合的運作核心, 也是構成網際網路的基礎 IP 位於 DoD 模型的網路層 ( 相當於 OSI 模型的網路層 ), 對上可載送傳輸層各種協定的封包, 例如 : TCP 封包 UDP 封包等等 ; 對下可將 IP 封包放到鏈結層, 透過乙太網路等各種技術來傳送 3 4 1

2 IP 基礎 Assignment of Protocols to Layers IP 所提供的服務大致可歸納為兩項 : IP 封包的傳送 IP 封包的切割與重組 HTTP, FTP, SMTP, TELNET, etc TCP, UDP IP PPP, Ethernet 5 6 IP 基礎 傳送 IP 封包 切割與重組 IP 封包 IP 表頭的結構 傳送 IP 封包 IP 是負責網路之間訊息傳送的協定, 可將 IP 封包從來源裝置 (e.g. 您的電腦 ) 傳送到目的裝置 (e.g. 教育部的 WWW 伺服器 ) 要達成這樣的目的, IP 必須依賴 IP 定址 與 IP 路由 兩種機制 IP 定址 IP 規定網路上所有的裝置都必須有一個獨一無二的 IP 位址 (IP Address) 以資識別 ICANN 負責分配 IP 位址, 實際執行由 IANA 負責分配 在台灣 IP 位址是由 TWNIC 所負責管理 7 8 2

3 傳送 IP 封包 IP 是負責網路之間訊息傳送的協定, 可將 IP 封包從來源裝置 (e.g. 您的電腦 ) 傳送到目的裝置 (e.g. 教育部的 WWW 伺服器 ) 要達成這樣的目的, IP 必須依賴 IP 定址 與 IP 路由 兩種機制 IP 定址 IP 規定網路上所有的裝置都必須有一個獨一無二的 IP 位址 (IP Address) 以資識別 ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) 負責分配 IP 位址, 實際執行由 IANA (Internet Assigned Numbers Authority) 負責執行 傳送 IP 封包 在台灣是由 TWNIC (Taiwan Network Information Center, 財團法人臺灣網路資訊中心 ) 所負責, 網址為 TWNIC 依照分配管理辦法, 將 IP 位址分配給學術網路 各家 ISP (Internet Service Provider, 網際網路服務供應商 ) 等等 個人或公司行號若需要 IP 位址, 必須向 ISP 申請, 因為 TWNIC 並不受理個別的申請案件 9 10 IP Component Reference The network prefix identifies a network and the host number identifies a specific host (actually, interface on the network). Network ID Host ID Internet Host ID

4 傳送 IP 封包 傳送 IP 封包 IP 路由 網際網路可視為由許多個區域網路所連結成的大型網路 若要在網際網路中傳送 IP 封包, 除了確保網路上每個裝置都有一個獨一無二的 IP 位址外, 網路之間還必須有傳送的機制, 才能將 IP 封包經過一個個的網路送達目的地, 此種傳送機制稱為 IP 路由 (IP Routing) 路由器的功能是為 IP 封包選擇傳送的路徑 換言之, IP 封包必須靠沿途各路由器的通力合作, 才能到達目的地 在 IP 路由的過程中, 是由路由器負責選擇路徑, 至於 IP 封包則是處於被動的狀態 傳送 IP 封包 非連接式的傳送特性 IP 封包傳送時還有一項很重要的特性, 就是使用 非連接式 (Connectionless) 的傳送方式 傳送 IP 封包時, 來源與目的裝置雙方毋須事先建立連線, 即可將 IP 封包送達 將過程簡單化, 可提高傳輸的效率 連接式的傳送特性 連接式 (Connection-Oriented) 的傳送方式, 來源與目的裝置雙方必須先建立連線, 才能進一步傳輸資料 如 : 第 11 章 TCP 協定 切割與重組 IP 封包 每一種鏈結層的技術都會有所謂的最大傳輸單位 封包太大將無法傳送, 因此路由器可將 IP 封包切割與重組, 將過長的封包加以切割才能傳送 16 4

5 7-1-3 IP 表頭的結構 IP 在傳送資料的基本單位是 IP 封包 IP 封包主要是由兩部份所組成 : IP 表頭 (Header) IP 承載資料 (Payload) IP 表頭的結構 目的位址 (Destination Address) 來源位址 (Source Address) 上層協定 (Protocol) IP 表頭的結構 IP 表頭的結構 IP 封包識別碼 (Identification) 切割與重組相關資訊 存活時間 (Time to Live, TTL)

6 7-2 IP 封包的傳送模式 單點傳送 (Unicast) 廣播傳送 (Broadcast) 多點傳送 (Multicast) 單點傳送 (Unicast) 一對一的傳送模式 來源端所發出的 IP 封包, 其 IP 表頭中的目的位址代表單一目的裝置, 因此只有該裝置會處理此 IP 封包 網際網路上傳送的封包, 多數是單點傳送 IP 封包 廣播傳送 (Broadcast) 一對多的傳送模式 來源裝置所發出的 IP 封包, 其 IP 表頭中的目的位址代表某一網路, 因此該網路內的所有裝置都會收到 多點傳送 (Multicast) 多點傳送也是屬於一對多的傳送方式 多點傳送的 IP 封包, 其 IP 表頭中的目的位址代表的是一群裝置

7 7-3 IP 位址表示法 IP 位址是以 32 Bits 的二進位數字來表示 IP 位址表示法 通常我們在設定 IP 位址時, 都是以這種格式來輸入 1. 以 8 Bits 為單位, 將 32 Bits 的 IP 位址分成 4 段 : 2. 將各段的二進位數字轉換成十進位, 再以. 隔開 A domain name is the text version of an IP address Top-level domain (TLD) A DNS server translates the domain name into its associated IP address IP 位址表示法 Static IP Addressing Internet Protocol (TCP/IP) Properties General You can get IP settings assigned automatically if your network supports this capability. Otherwise, you need to ask your network administrator for the appropriate IP settings. Obtain an IP address automatically Use the following IP address: IP address: Subnet mask : Default gateway: Obtain DNS server address automatically Use the following DNS server addresses: Preferred DNS server: Alternate DNS server: Advanced... OK Cancel

8 Dynamic IP Addressing Internet Protocol (TCP/IP) Properties General You can get IP settings assigned automatically if your network supports this capability. Otherwise, you need to ask your network administrator for the appropriate IP settings. Obtain an IP address automatically Use the following IP address: IP address: Subnet mask : Default gateway: Obtain DNS server address automatically Use the following DNS server addresses: Preferred DNS server: Alternate DNS server: Viewing TCP/IP Configuration Internet Protocol (TCP/IP) Properties General You can get IP settings assigned automatically if your network supports this capability. Otherwise, you need to ask your network administrator for the appropriate IP settings. Obtain an IP address automatically Use the following IP address: IP address: Subnet mask : Default gateway: Obtain DNS server address automatically Use the following DNS server addresses: Preferred DNS server: Alternate DNS server: Advanced... Advanced... OK Cancel OK Cancel Viewing TCP/IP Configuration Using Ipconfig Command Prompt Microsoft Windows 2000 [version ] (C) Copyright Microsoft Corp. C:\>ipconfig Windows 2000 IP Configuration Ethernet adapter Local Area Connection: Connection-specific DNS Suffix. : IP Address : Subnet Mask : Default Gateway : C:\>_ 31 Getting an IP Packet From A to B Host must know at least three IP addresses Host IP address (to use as its own source address) Domain Name Service (to map names to addresses) Default router to reach other hosts (e.g., gateway) Simple customer/company Connected to a single service provider Has just one router connecting to the provider Has a set of IP addresses allocated in advance application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical application transport network data link physical 32 8

9 IPv4 與 IPv6 目前網際網路上通用的 IP 版本為第 4 版, 稱為 IPv4 IPv4 的 IP 位址是由 32 Bits 組成, 理論上會有 2 32 = ( 將近 43 億個 ) 種組合 這個數字雖然很大, 但是現實世界對於 IP 位址的需求卻是永無止境 在可預見的將來, 32 Bits 長度的 IP 位址勢必將不敷使用 IPv4 與 IPv6 為了解決這個問題, 專家們已經發表了下一版的 IP 規格 IPv6 ( 第 6 版的 IP) IPv6 的 IP 位址是由 128 Bits 所組成, 可說是天文數字, 可提供非常充裕的 IP 位址空間 關於 IPv6 的深入解析, 請參考第 10 章 IPv4 has a maximum of billion addresses IPv6 has a maximum of = (2 32 ) 4 4 billion x 4 billion x 4 billion x 4 billion addresses IP 位址的等級 IP 位址的結構 IP 位址的結構 常見的 3 種位址等級 特殊的 IP 位址 IP 位址是由網路位址與主機位址兩部份所組成 :

10 IP 位址的結構 網路位址 (Network ID) 網路位址位於 IP 位址的前段, 可用來識別所屬的網路 主機位址 (Host ID) 主機位址位於 IP 位址的後段, 可用來識別網路上個別的裝置 IP 位址的結構 IP Address Network ID Host ID IP 位址的結構 Network Number Unique IP Address = Network Number + Host Number Host Number Where is this dividing line? Well, that depends... IP 位址的結構 那麼網路位址與主機位址的長度該如何分配呢? 我們可以算算看, 如果網路位址的長度較長, 例如 :24 Bits, 那麼主機位址便只有 8 Bits, 亦即此一網路位址下共有 2 8 = 256 個主機位址可資運用, 可分配給 256 部裝置使用 如果網路位址的長度較短, 例如 :16 Bits, 那麼主機位址便有 16 Bits, 亦即此一網路位址下共有 2 16 = 個主機位址可資運用, 可分配給 部裝置使用

11 IP 位址的結構 由於各個網路的規模大小不一, 大型的網路應該使用較短的網路位址, 以便能使用較多的主機位址 ; 反之, 較小的網路則應該使用較長的網路位址 為了符合不同網路規模的需求, IP 在設計時便依據網路位址的長度, 劃分出 IP 位址等級 常見的 3 種位址等級 當初在設計 IP 時, 著眼於路由與管理上的需求, 因此制定了 5 種 IP 位址的等級 (Class) 不過, 一般最常用到的便是 Class A B C 這三種等級的 IP 位址 這三種等級分別使用不同長度的網路位址, 因此適用於大 中 小型網路 IP 位址的管理機構可根據申請者的網路規模, 決定要賦予何種等級 IP Classful Addressing IP addresses are divided into five different classes: A, B, C, D, and E class A B C 0network host 10 network host 110 network host to to to 種常見的位址等級 傳統 IP 位址的運作方式, 由於以等級來劃分, 因此稱為等級式 (Classful) 的劃分方式 相對地, 後來又產生了無等級 (Classless) 的劃分方式 - 也是我們目前普遍採用的方式 後文會介紹如何以無等級方式來劃分 IP 位址 Class A Network ID Host ID D E 1110 multicast address reserved for special purposes to Class B Network ID Host ID 32 bits Class C Network ID Host ID

12 Assigning Network IDs 1 2 Router Assigning Host IDs Router 常見的 3 種位址等級 常見的 3 種位址等級 Class A: 總共只有 2 7 = 128 個 Class A 網址 每個 Class A 網址可運用的主機位址為 2 24 = 個 ( 一千六百多萬 ) Class B: 網路位址的長度為 16 Bits, 最左邊的 2 Bits 為前導 位元, 必須為 10 每個 Class B 網路可資運用的主機位址有 2 16 = 個

13 常見的 3 種位址等級 常見的 3 種位址等級比較 Class C: 網路位址的長度為 24 Bits, 最左邊的 3 Bits 為前導位元, 必須為 110 每個 Class C 網路可資運用的主機位址有 2 8 =256 個 常見的 3 種位址等級 從 IP 位址的前導位元, 便可判斷出所屬網路的等級, 進而得知網路位址與主機位址為何 依據企業或單位的實際需求, 可分配 Class A B C 三種等級的網路位址, 讓 IP 位址的分配更有效率 Your Turn: IP Address Classes Address Class Network Host A B C C B

14 7-4-3 特殊的 IP 位址 主機位址全為 0: 用來代表該 這個網路 (This network) 例如, 代表該 Class C 的網路 主機位址全為 1: 代表網路中的全部裝置, 也就是 廣播 例如有一部電腦送出 封包 若網路位址與主機位址皆為 1: 亦即 , 稱為 Limited 或 Local 廣播封包 只有同一網路位址上的裝置可收到此種廣播 Class A 的最後 1 個網路位址 : 代表 Loopback 位址, 主要用來測試本機電腦上的 TCP/IP 之用 例如, 最常被使用 特殊的 IP 位址 在設計 IP 時, 考慮到有些網路雖然使用 TCP/IP 的協定組合, 但不會與網際網路相連 因此在 Class A B C 中都保留了一些私人 IP 位址 : 特殊等級 :Class D ( 前導位元為 1110), 專用於多點傳送 (Multicast);Class E ( 前導位元為 1111), 保留未用 子網路 (Subnet) 子網路 (Subnet) 切割為子網路的原理 子網路遮罩 子網路切割實例 ( 一 ) 子網路切割實例 ( 二 ) network prefix host number 假設 A 企業分配到 Class B 的 IP 位址, 但若將六萬多部電腦連接在同一個網路中, 勢必造成網路效能的低落, 因此在實際上不可行 解決這個問題的方法, 便是讓企業能自行在內部將網路切割為子網路 (Subnet) 例如 :A 企業將分配到的 Class B 網路切割成數個規模較小的子網路, 再分配給各個實體網路 換言之, 利用子網路能讓原先只有 3 種等級的 IP 位址更加具有彈性 network prefix subnet number host number extended network prefix

15 Subnets Subnet 1 Subnet Without Subnetting All hosts think that the other hosts are on the same network Hub Router Hub With Subnetting With Subnetting Hosts with same extended network prefix belong to the same network Different subnetmasks lead to different views of the size of the scope of the network

16 7-5-1 切割為子網路的原理 切割為子網路的重點便是讓每個子網路擁有一個獨一無二的子網路位址 切割為子網路的原理 若子網路位址使用 3 Bits, 則產生了 2 3 = 8 個子網路 子網路位址與原先的網路位址合起來共 19 Bits, 可視為新的網路位址, 用來識別該子網路 切割為子網路的原理 切割為子網路的原理

17 7-5-2 子網路遮罩 子網路遮罩是用來判斷切割後的子網路 IP 位址中, 哪幾個位元為網路位址, 哪幾個位元為主機位址 Subnetmask Routers and hosts use an extended network prefix (subnetmask) to identify the start of the host numbers 子網路遮罩的特性 子網路遮罩長度為 32 Bits, 與 IP 位址的長度相同 子網路遮罩是由一串連續的 1, 再跟上一串連續的 0 所組成 因此, 可以是以下的 32 位數字 : 子網路遮罩的特性 為了方便閱讀, 子網路遮罩通常也用與 IP 位址相同的十進位來表示 例如 : 通常寫作 : 但不可是如下的數字 :

18 子網路遮罩的特性 子網路遮罩必須與 IP 位址配對使用才有意義 單獨的子網路遮罩不具任何意義 當子網路遮罩與 IP 位址一起時, 子網路遮罩的 1 對映至 IP 位址便是代表網路位址位元, 0 對映至 IP 位址便是代表主機位址位元 例如 : 子網路遮罩的特性 原有等級式的網路位址仍然可繼續使用 以 Class C 的 IP 為例 : 若不執行指網路切割, 則其子網路遮罩為 : Class A B C 固定對應的子網路遮罩如下 : 亦可寫作 : 子網路切割實例 ( 一 ) 子網路切割實例 ( 一 ) A 企業 Class C IP 位址 : 假設子網路位址為 2Bits, 網路位址變成 24+2 = 26 Bits 新的子網路遮罩為 : 原先的主機位址有 8 Bits, 但是子網路位址借用了 2 Bits, 主機位址只能使用剩下的 6 Bits 每個子網路可以有 2 6 = 64 個可用的主機位址 主機位址不得全為 0 或 1, 所以實際上每個子網路可分配的 IP 位址為 62 個 71 接著必須在 A 企業所有的路由器上設定 A1 A2 A3 A4 等子網路的路由紀錄, 以便在路由器能將 IP 封包正確地傳送到切割後的子網路 72 18

19 子網路切割實例 ( 一 ) 子網路可再進一步切割成更小的子網路 承上例, 例如 : 網管人員可以再將 A1 網路切割成更小的子網路 方法仍舊是從主機位址借用幾個位元來作為子網路位址 子網路切割時所作的設定, 都是在企業內部 換言之, 遠端的網路或路由器並不須知道 A 企業內部是如何切割子網路 如此, 可保持網際網路上路由架構的簡單性 Your Turn: Subnetting Example I Organization has Class C address which creates subnets with up to 13 blocks each. What is the subnet mask? What is the first valid host on the subnetwork that the node belongs to? 73 What is the last valid host on the subnetwork /26? 74 Your Turn: Subnetting Example II 子網路切割實例 ( 二 ) What is the subnet address? 1. 某台主機的 IP 位址為 , 子網路遮罩為 , 則該主機所在的子網路的 網路位址 為何? 由網路位址第一個數字 192 得知此主機位於 Class C 等級, 我們將 IP 位址最後一個數字 134 及子網路遮罩改寫為 2 進位 :

20 子網路切割實例 ( 二 ) 2. 假設某個子網路的子網路遮罩為 , 請判斷 是否屬於此子網路裡網路設備可用的 IP 位址? 子網路切割實例 ( 二 ) 這個子網路遮罩最多可將 這個網路分割為幾個有效的子網路? 每個子網路中最多可以有幾台主機? 由子網路遮罩可知, 主機位址的前 3 個 Bits 代表子網路位址 : 77 由 IP 位址第 1 個數字 132 得知此網路是 Class B 等級, 子網路遮罩藉由第 3 個數字的前 6 個 Bits 用來分割子網路, 所以最多可分割出 = 62 個子網路 ; 主機位址以 = 10 個 Bits 來表示, 所以每個子網路可以有 = 1022 台主機 78 子網路切割實例 ( 二 ) 4. 在 Class C 等級網路中若至少要分割出 13 個子網路, 則子網路遮罩為何? 由於 2 4 = 16 > 13 而 2 3 = 8 < 13, 表示至少須借用 IP 位址最後一個數字的前 4 個 Bits 來分割子網路, 故子網路遮罩為 ( ) Your Turn: Subnetting Example III Organization has Class B address with network ID: and wants to create subnets with up to 100 hosts each. Assume a host is assigned address What is the subnet mask? What is the subnet address?

21 Your Turn: Subnetting Example IV Assume a host is assigned address and the net mask is What is the subnet address? What is the subnet range? 7-6 無等級的 IP 位址 目前 Class B 網址嚴重不足, 但其實 Class C 仍有餘裕, 因此產生 Classless Inter-Domain Routing (CIDR) 的 IP 位址劃分方式 CIDR 原理 CIDR 實例 CIDR 原理 CIDR 實例 使用子網路遮罩來定義較具彈性的網路位址, 可合併數個 Class C 的 IP 位址 CIDR 又稱為超網路 (Supernet), 與子網路可算是一體的兩面, 其差異如下 : 子網路 (Subnet): 利用子網路遮罩重新定義較長的網路位址, 將現有的網路加以切割 超網路 (Supernet): 利用子網路遮罩重新定義較短的網路位址, 將現有網路 合併 成為一個網路 藉由 CIDR 的方式, 我們可以分配一個長度為 21 Bits 的網路位址 ( 稱為 /21 位址 ) 給 B 企業, 那麼 B 企業可供運用的主機位址將會有 = 11 Bits, 總共可產生 2 11 = 2048 個 IP 位址 合併網路的限制 : 用來合併的 Class C 的網路位址必然是連續的 用來合併的 Class C 的網路位址數目必然是 2 的冪方數

22 CIDR 實例 B 企業實際上分配到的可能是如下的 8 個連續 Class C 位址空間 : CIDR 實例 可以利用下列方式表示 : 表示由 開始到 共 8 個 Class C 位址空間要合併 或是使用更簡潔的方式來表示 : 網路位址轉譯 (NAT) 由於網際網路的日漸普及, IP 位址也已經不敷使用 在 1994 年正式發表的 NAT 技術有效改善此問題 NAT 分成 3 類 : 靜態 NAT (Static NAT) 動態 NAT (Dynamic NAT) NAPT (Network Address Port Translation) 此種技術其實是動態 NAT 的改良, 利用記錄了連接埠 (Port) 編號, 可以讓多個私人 IP 位址共用一個合法 IP 位址, 就不會因為合法 IP 位址不夠而無法上網 目前絕大多數裝置所提供的 NAT 功能都是指 NAPT, 它也被稱為 IP 偽裝 (IP Masquerade) 網路位址轉譯 (NAT) 網路位址轉譯的原理 網路位址轉譯的注意事項

23 7-7-1 網路位址轉譯的原理 網路位址轉譯的原理 網路位址轉譯的原理 網路位址轉譯的原理 當區域網路內許多部電腦的私人位址都對應到同一個合法 IP 位址時, 藉由用戶端 TCP/UDP 連接埠號碼來判斷封包要送到哪一台電腦

24 網路位址轉譯的原理 1. 用戶端要向 Web 伺服器要求網頁資料, 其 IP 封包會包含以下的資訊 : 目的地 IP 位址 = (Web 伺服器 ) 來源 IP 位址 = (NAT 用戶端 ) 目的地連接埠 = 80 (Web 伺服器預設使用的連接埠 ) 來源連接埠 = 5000 ( 由用戶端應用程式自行決定使用的連接埠 ) 網路位址轉譯的原理 2. NAT 主機收到用戶端的要求後, 會使用本機的一個連接埠 ( 稱為 NAT 連接埠 ), 來對應用戶端的 IP 位址與來源連接埠 : 目的地 IP 位址 = ( 沒變 ) 來源 IP 位址 = ( 從 NAT 用戶端變為 NAT 主機 ) 目的地連接埠 = 80 ( 沒變 ) 來源連接埠 = 6000 ( 由 NAT 主機自行產生, 用來對應用戶端原始的 IP 位址與連接埠 ) 網路位址轉譯的原理 3. Web 伺服器傳回網頁資料, 其封包會包含以下的資訊 : 目的地 IP 位址 = (NAT 主機 ) 來源 IP 位址 = (Web 伺服器 ) 目的地連接埠 = 6000 來源連接埠 = 80 網路位址轉譯的原理 4. NAT 主機收到傳回的資料後, 發現目的地連接埠 6000 對應到 這個 IP 位址與 5000 這個連接埠, 於是產生如下的新封包, 傳送到 NAT 用戶端 : 目的地 IP 位址 = ( 從 NAT 主機變成 NAT 用戶端 ) 來源 IP 位址 = ( 沒變 ) 目的地連接埠 = 5000 ( 用戶端應用程式使用的連接埠編號 ) 來源連接埠 = 80 ( 沒變 )

25 7-7-2 網路位址轉譯的注意事項 無法使用某些加密協定 增加 NAT 主機的運算負擔 外界主動存取時, 設定較為複雜 網路位址轉譯的注意事項 若要在內部網路架設對外服務的伺服器, 就必須在 NAT 主機手動設定轉譯機制 實作練習 : TCP/IP 的基本設定

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27 設定多個 IP 組態

28 IP 位址衝突

29 Reading Assignment Chapter 7 of 最新網路概論第 14 版, 施威銘 第 7 章 IP 基礎與定址 115 End of the Chapter 29