实验十四：IPv4地址的无分类编址方法

Oll Correct2026-04-09 8:06

一、实验目的

理解网络编址理论： 掌握 IPv4 无分类域间路由选择（CIDR）技术，运用可变长子网掩码（VLSM）进行 IP 地址块的划分。

掌握拓扑搭建： 熟悉 Cisco Packet Tracer 仿真软件的界面与基础操作，独立完成设备连线与接口管理。

配置静态路由： 掌握 Cisco 路由器接口配置，并能够准确编写跨网段通信的静态路由条目。

网络排错分析： 熟悉 ICMP 与 ARP 协议在底层的交互机制，熟练使用 ping 命令进行连通性测试并解释超时现象。

二、 实验环境

仿真软件： Cisco Packet Tracer

**硬件设备节点：**终端设备（End Devices）：PC-PT × 8 台；二层交换机（Switches）：Cisco 2960 × 4 台；路由器（Routers）：Cisco 2911 × 2 台

三、 实验原理

3.1 CIDR 与 VLSM 技术原理

无分类域间路由选择 (CIDR)： 打破了传统 A、B、C 类网络的严格界限，采用"IP地址 / 网络前缀长度"的斜线记法（例如 192.168.1.0/24）。斜线后面的数字代表子网掩码中连续为 1 的位数，它精确定义了网络部分的长度。

可变长子网掩码 (VLSM)： 允许网络工程师在一个主干网络地址块的基础上，通过向主机位"借位"来进一步划分子网。它的核心思想是"按需分配"------根据每个物理网段实际需要的终端数量，分配不同长度的子网掩码，从而杜绝 IP 地址的浪费。

3.2 核心计算公式

在进行 VLSM 划分时，必须掌握以下两个核心公式（设网络前缀长度为 n）：

主机位数 = 32 - n

(注意：必须减去 2，因为主机位全为 0 的地址保留为"网络地址"，主机位全为 1 的地址保留为该网段的"广播地址"，这两个地址均不能分配给具体设备。)

3.3 本实验子网掩码换算推导 (十进制转换)

大多数网络设备（如 PC 或老式路由器界面）要求输入点分十进制的子网掩码。本实验中用到了三种不同长度的掩码，其推导过程如下：

（1）推导 1：普通局域网（/28 掩码）

应用场景： 本实验中的网络 1、网络 3、网络 4。

容量计算： 主机位为 32 - 28 = 4 位。可用 IP 数为 2^4 - 2 = 14个（足以满足这些网段内 PC 和网关的数量需求）。

十进制转换： 前 28 位为 1，后 4 位为 0。二进制表示为 11111111.11111111.11111111.11110000，转换成十进制即为 255.255.255.240

（2）推导 2：大容量局域网（/27 掩码）

应用场景： 本实验中的网络 2（由于预期设备可能超过 14 台，因此向左少借一位，保留更多主机位）。

容量计算： 主机位为 32 - 27 = 5 位。可用 IP 数为 2^5 - 2 = 30 个。

十进制转换： 前 27 位为 1，后 5 位为 0。二进制表示为 11111111.11111111.11111111.11100000，转换成十进制即为 255.255.255.224

（3）推导 3：广域网路由器互联（/30 掩码）

应用场景： 本实验中的网络 5（仅用于连接路由器 0 和路由器 1）。

容量计算： 点对点链路只需要 2 个 IP 地址。主机位为 32 - 30 = 2 位。可用 IP 数刚好为 2^2 - 2 = 2个，这是极其经典且最节约地址的点对点网络划分方案。

十进制转换： 前 30 位为 1，后 2 位为 0。二进制表示为 11111111.11111111.11111111.11111100，转换成十进制即为 255.255.255.252。

3.4 跨网段通信与路由表机制

路由器是实现跨网段通信的核心设备。它通过维护一张"路由表（Routing Table）"来决定数据包的转发方向。路由表中的路径来源主要分为两类：

直连路由 (Connected Route)： 当路由器的物理接口配置了 IP 地址并成功激活（状态为 up）后，路由器会自动将该接口所在的网段加入路由表，通常标记为 C。

静态路由 (Static Route)： 对于不直接连接在路由器上的"远端网络"，路由器默认是"看不见"的。必须由网络管理员手工配置，告知路由器去往该网络的路径，通常标记为 S。

3.5 静态路由的"下一跳（Next Hop）"逻辑

配置静态路由的核心命令语法为：ip route [目标网络地址] [目标子网掩码] [下一跳IP]。

目标网络： 数据包最终要到达的远端 CIDR 网络块（注意：此处填写的是网络地址，而非某台具体 PC 的 IP）。

下一跳 IP： 数据包离开本路由器后，下一个接收该数据包的相邻路由器接口的 IP 地址。可以将其通俗地理解为"数据包过马路时，对面的那个接应点"。

3.6 底层通信机制：ARP 与 ICMP 协议

ICMP（网际控制报文协议）： 实验中使用的 ping 命令即基于此协议，用于测试两台设备间的连通性。

ARP（地址解析协议）： 在局域网底层数据传输中，仅有 IP 地址是不够的，设备必须获取对方网卡的 MAC 地址（物理地址）。当路由器或 PC 知道目标的 IP，但不知道其 MAC 地址时，会发送 ARP 广播进行询问。

实验现象预判： 在首次进行跨网段 Ping 测试时，由于设备需要花费时间等待 ARP 回应以构建 MAC 地址表，往往会导致第一个或前两个 ICMP 数据包因等待超时而被丢弃（终端显示 Request timed out）。这是网络正常的"学习发现"过程，一旦 ARP 缓存建立，后续的数据包即可畅通无阻。

四、 网络拓扑构建与前期准备

4.1 物理设备的选型与部署

在 Packet Tracer 工作区左下角的设备库中，依次拖拽 8 台 PC-PT、4 台 2960 交换机和 2 台 2911 路由器至逻辑工作区，并按照预定拓扑结构进行排列。

4.2 线缆连接与 STP 状态加速

  1. 连线操作： 使用连线工具（Connections）将各设备连接起来。为简化操作，初学者可直接使用"自动选择连接类型"（带有闪电图标的线缆），系统会自动匹配直通线或交叉线。

  2. 现象观察（橙色指示灯）： 连接完成后，交换机的接口处会出现橙色小圆点 。这是因为交换机默认开启了生成树协议（STP, Spanning Tree Protocol）。端口在初始接入时，需要经历监听（Listening）和学习（Learning）状态以防止网络物理环路的产生，默认需要等待约 30 秒才能进入绿色的转发（Forwarding）状态。

  3. 加速技巧： 为提高实验效率，可点击软件界面左下角的 "Fast Forward Time"（快进时间，快捷键 Alt+D） 按钮，跳过 STP 的计算等待时间，使全网链路指示灯迅速变为绿色（表示物理链路已就绪）。

4.3 规范化接口显示与注释

  1. 显示接口标签： 在进行 IP 和路由配置前，明确设备间的接口对应关系至关重要。点击软件顶部菜单栏 Options -> Preferences，在弹出的窗口中勾选 Always Show Port Labels in Logical Workspace。

  2. 信息记录： 此时拓扑图上会显示所有连接的接口名称（如 Gig0/0, Gig0/1 等）。建议利用软件的文本批注工具（Place Note），将接口名称、规划的 IP 地址和所属网络标记在设备旁边。标注完成后，若觉得拓扑图过于凌乱，可再次进入设置关闭全局接口显示，仅保留手写的清晰注释。


自动显示接口比较凌乱 精简后的接口显示

五、 全网 IP 地址规划与终端配置

5.1 整体网络 IP 地址分配方案

根据前期的拓扑构建与 VLSM 计算，本实验共包含 5 个独立的网络区域（4 个局域网段与 1 个路由器互联链路）。为了使各网络间能够正常路由通信，IP 地址的分配必须严格遵循以下原则：

  1. 保留地址： CIDR 地址块中的最小地址（网络地址）和最大地址（广播地址）不可分配给任何设备。

  2. 网关规范： 为方便管理，本实验统一将各个局域网的最后一个可用 IP 地址，分配给对应路由器的千兆以太网接口，作为该局域网的默认网关。

具体 CIDR 划分与接口分配方案如下表所示：

网络编号 分配的 CIDR 地址块 子网掩码 (十进制) 可用主机 IP 范围 网关 IP (路由器接口分配)
网络 1 218.75.230.32/28 255.255.255.240 .33 - .46 .46 (Router0 - Gig0/1)
网络 2 218.75.230.0/27 255.255.255.224 .1 - .30 .30 (Router0 - Gig0/0)
网络 3 218.75.230.48/28 255.255.255.240 .49 - .62 .62 (Router1 - Gig0/1)
网络 4 218.75.230.64/28 255.255.255.240 .65 - .78 .78 (Router1 - Gig0/2)
[表 1：局域网部分 (终端与路由器接口互联)]
网络编号 分配的 CIDR 地址块 子网掩码 (十进制) 可用主机 IP 范围 接口分配说明
网络 5 218.75.230.80/30 255.255.255.252 .81 - .82 Router0 (Gig0/2) 使用 .81 Router1 (Gig0/0) 使用 .82
[表 2：广域网部分 (路由器点对点互联)]

5.2 终端设备（PC）IP 配置实操

基于上述地址规划表，我们需要为网络中的 8 台计算机静态配置 IPv4 参数。正确配置默认网关是计算机能够跨越所属网段、与其他网络进行通信的前提条件。

在 Packet Tracer 工作区中，依次点击各台 PC 节点 ， 选择 Desktop (桌面) 选项卡 ， 打开 IP Configuration (IP 配置) 工具，勾选 Static (静态)，并严格按照下表录入数据：

设备名称 IPv4 地址 子网掩码 默认网关 所属网络 (CIDR)
PC0 218.75.230.33 255.255.255.240 218.75.230.46 网络 1 (/28)
PC1 218.75.230.34 255.255.255.240 218.75.230.46 网络 1 (/28)
PC2 218.75.230.1 255.255.255.224 218.75.230.30 网络 2 (/27)
PC3 218.75.230.2 255.255.255.224 218.75.230.30 网络 2 (/27)
PC4 218.75.230.65 255.255.255.240 218.75.230.78 网络 4 (/28)
PC5 218.75.230.66 255.255.255.240 218.75.230.78 网络 4 (/28)
PC6 218.75.230.49 255.255.255.240 218.75.230.62 网络 3 (/28)
PC7 218.75.230.50 255.255.255.240 218.75.230.62 网络 3 (/28)

六、 路由器基础配置与静态路由下发

路由器通常通过其自带的 IOS（Internetwork Operating System）命令行界面进行配置。在本步骤中，我们将首先激活所有路由器的物理接口，随后为其编写静态路由表，打通全网通信链路。

6.1 路由器接口 IP 配置

进入两台路由器的 CLI 命令行界面，依次执行以下命令为各个接口分配 IP 地址，并使用 no shutdown 命令激活接口。配置完成后，拓扑图上对应的链路指示灯将由红变绿。

路由器 0 (Router 0) 接口配置：

复制代码 
Router>enable                   //从用户执行模式进入特权执行模式
Router#configure terminal       //从特权执行模式进入全局配置模式

Router(config)#interface GigabitEthernet0/1       //从全局配置模式进入接口Gig0/1的配置模式
Router(config-if)#ip address 218.75.230.46 255.255.255.240      //给接口配置IP地址和子网掩码
Router(config-if)#no shutdown                                   //开启接口

Router(config-if)#interface GigabitEthernet0/0                  //进入接口Gig0/0的配置模式
Router(config-if)#ip address 218.75.230.30 255.255.255.224      //给接口配置IP地址和子网掩码
Router(config-if)#no shutdown                                   //开启接口

Router(config-if)#interface GigabitEthernet0/2                  //进入接口Gig0/2的配置模式
Router(config-if)#ip address 218.75.230.81 255.255.255.252      //给接口配置IP地址和子网掩码
Router(config-if)#no shutdown                                   //开启接口

Router(config-if)#exit                              //退出到全局配置模式

路由器 1 (Router 1) 接口配置：

复制代码 
Router>enable                   //从用户执行模式进入特权执行模式
Router#configure terminal       //从特权执行模式进入全局配置模式

Router(config)#interface GigabitEthernet0/2       //从全局配置模式进入接口Gig0/2的配置模式
Router(config-if)#ip address 218.75.230.78 255.255.255.240      //给接口配置IP地址和子网掩码
Router(config-if)#no shutdown                                   //开启接口

Router(config-if)#interface GigabitEthernet0/0                  //进入接口Gig0/0的配置模式
Router(config-if)#ip address 218.75.230.82 255.255.255.252      //给接口配置IP地址和子网掩码
Router(config-if)#no shutdown                                   //开启接口

Router(config-if)#interface GigabitEthernet0/1                  //进入接口Gig0/1的配置模式
Router(config-if)#ip address 218.75.230.62 255.255.255.240      //给接口配置IP地址和子网掩码
Router(config-if)#no shutdown                                   //开启接口

Router(config-if)#exit                              //退出到全局配置模式

配置完成后会显示接口已经正常开启

6.2 路由表分析与规划

当上述接口配置完成并开启后，路由器会自动将自身的"直连网络"加入路由表。但为了让不同路由器背后的计算机能够互相通信，我们需要针对那些"非直连的远端网络"手工添加静态路由条目。

根据网络拓扑，两台路由器的完整路由表规划如下：

路由器 0 (Router 0) 的路由表

对于路由器 0 来说，网络 1、2、5 是直连的；网络 3、4 是远端的，需要经过右边的路由器 1（下一跳 IP 为 218.75.230.82）才能到达。

路由类型 目的网络 (Destination) 子网掩码 (Mask) 转发接口 / 下一跳 (Next Hop)
直连 (C) 218.75.230.32 255.255.255.240 Gig0/1 (连接网络1)
直连 (C) 218.75.230.0 255.255.255.224 Gig0/0 (连接网络2)
直连 (C) 218.75.230.80 255.255.255.252 Gig0/2 (连接网络5)
静态 (S) 218.75.230.48 255.255.255.240 下一跳：218.75.230.82
静态 (S) 218.75.230.64 255.255.255.240 下一跳：218.75.230.82
[路由器 0 (Router 0) 的路由表规划]

路由器 1 (Router 1) 的路由表

同理，对于路由器 1 来说，网络 3、4、5 是直连的；网络 1、2 是远端的，需要经过左边的路由器 0（下一跳 IP 为 218.75.230.81）才能到达。

路由类型 目的网络 (Destination) 子网掩码 (Mask) 转发接口 / 下一跳 (Next Hop)
直连 (C) 218.75.230.48 255.255.255.240 Gig0/1 (连接网络3)
直连 (C) 218.75.230.64 255.255.255.240 Gig0/2 (连接网络4)
直连 (C) 218.75.230.80 255.255.255.252 Gig0/0 (连接网络5)
静态 (S) 218.75.230.32 255.255.255.240 下一跳：218.75.230.81
静态 (S) 218.75.230.0 255.255.255.224 下一跳：218.75.230.81
[路由器 1 (Router 1) 的路由表规划]

6.3 静态路由条目下发实操

依据上述表格，在全局配置模式下输入 ip route 命令，正式向路由器下发静态路由。

向 Router 0 写入去往右侧网络的静态路由：

复制代码 
Router>enable                   //从用户执行模式进入特权执行模式
Router#configure terminal       //从特权执行模式进入全局配置模式

//添加去往网络3的路由，目标网段为.48，下一跳为Router1的接口IP
Router(config)#ip route 218.75.230.48 255.255.255.240 218.75.230.82       //添加一条静态路由条目，目的网络地址为218.75.230.48，子网掩码为255.255.255.240，下一跳地址为218.75.230.82


//添加去往网络4的路由，目标网段为.64，下一跳同样为Router1的接口IP
Router(config)#ip route 218.75.230.64 255.255.255.240 218.75.230.82     //添加一条静态路由条目，目的网络地址为218.75.230.64，子网掩码为255.255.255.240，下一跳地址为218.75.230.82

向 Router 1 写入去往左侧网络的静态路由：

复制代码 
Router>enable                   //从用户执行模式进入特权执行模式
Router#configure terminal       //从特权执行模式进入全局配置模式


//添加去往网络1的路由，目标网段为.32，下一跳为Router0的接口IP
Router(config)#ip route 218.75.230.32 255.255.255.240 218.75.230.81       //添加一条静态路由条目，目的网络地址为218.75.230.32，子网掩码为255.255.255.240，下一跳地址为218.75.230.81


//添加去往网络2的路由，目标网段为.0，下一跳同样为Router0的接口IP
Router(config)#ip route 218.75.230.0 255.255.255.224 218.75.230.81     //添加一条静态路由条目，目的网络地址为218.75.230.0，子网掩码为255.255.255.224，下一跳地址为218.75.230.81

七、 连通性测试与仿真抓包分析

配置完所有的 IP 和路由表后，我们需要通过发送数据包来验证全网是否真正打通。本环节将结合 Packet Tracer 的仿真抓包功能，带你深入观察数据包跨路由转发的微观过程。

7.1 测试原理与监视器配置 (Simulation 模式)

原理解析： 我们常用来测试网络的 ping 命令，其底层实际上是完全基于 ICMP（网际控制报文协议） 实现的。当你执行 ping 时，计算机会发出 ICMP 回显请求报文（Echo Request），并等待对方返回应答报文（Echo Reply）。因此，监视 Ping 测试的过程，本质上就是监视 ICMP 报文的转发过程。

配置监视器： 为了排除网络中其他无关背景流量（如交换机的 STP 报文）的干扰，我们先设置过滤器：点击软件界面右下角，从 Realtime (实时模式) 切换到 Simulation (仿真模式) 。在弹出的仿真面板中点击 Edit Filters (编辑过滤器)。在 IPv4 选项卡中，仅勾选 ICMP 和ARP两个 协议。

7.2 仿真模式下的可视化抓包观察

点击左侧网络 1 中的 PC0，进入 Desktop -> Command Prompt (命令提示符)。输入命令 ping 218.75.230.65 (跨网段 Ping 右侧的 PC4) 并回车。此时你会看到 PC0 旁边生成了一个彩色的"信封"。点击仿真面板上的 Auto Capture / Play (自动捕获/播放) 按钮。

观察现象： 你将直观地看到数据包是如何一步步走到 Router0，Router0 是如何查表发给 Router1，并最终到达 PC4 的完整动画轨迹。

7.3 实时模式 (Realtime) 测试与经典现象剖析

仿真模式动画较慢，为了快速验证全网，请点击右下角切回 Realtime (实时模式)。继续在 PC0 的命令提示符中执行以下测试：

  • 测试 1 (同网段)：ping 218.75.230.34 (Ping PC1)。 结果： 4 次全部 Reply 成功（0% loss）。

  • 测试 2 (跨一跳路由器)：ping 218.75.230.1 (Ping PC2)。 结果： 出现 1 次 Request timed out（请求超时），随后 3 次 Reply 成功。

  • 测试 3 (跨两跳路由器)：ping 218.75.230.65 (Ping PC4)。 结果： 出现 2 次 Request timed out，随后 2 次 Reply 成功。

核心知识点：为什么会产生请求超时？

这并非配置错误，而是网络底层的 ARP（地址解析协议） 在工作的正常表现！当数据包跨网段转发时，路由器不仅要查路由表获取下一跳 IP，还必须知道下一跳设备的 MAC 地址（物理地址）。以测试 3 为例：由于是首次通信，Router0 不知道 Router1 的 MAC 地址，于是它必须暂停转发 Ping 包，转而发送 ARP 广播去询问（此时第 1 个 Ping 包因等待超时被丢弃）。同理，Router1 找 PC4 时又要发一次 ARP 广播（导致第 2 个 Ping 包超时被丢）。

验证机制： 当沿途设备的 ARP 缓存表都记录好彼此的 MAC 地址后，你紧接着再执行一次 ping 218.75.230.65，就会发现 4 个数据包全部秒通，不再有超时现象。

7.4 常见故障排查指南

如果测试中出现 4 次全部超时（100% loss）或提示 Destination host unreachable，请按以下顺序排错：

  1. 查终端： 检查源 PC 和目标 PC 的 IP 与掩码。重点检查默认网关是否漏填或填错。

  2. 查接口： 检查路由器 Gig0/0, Gig0/1, Gig0/2 的 IP 是否配错？是否忘记执行 no shutdown 开启端口？

  3. 查路由： 检查 Router0 和 Router1 的静态路由表。目标网络地址（网络号）、子网掩码以及下一跳 IP 是否完全正确。

八、 实验总结

本实验通过实际搭建跨越多个网段的中小型企业网络拓扑，成功验证了 CIDR 与 VLSM 子网划分理论的正确性，并熟练掌握了 Cisco 路由器接口配置与静态路由（Static Route）的下发方法。同时，借助仿真抓包工具，深刻理解了 ICMP 与 ARP 协议在底层数据转发中的协同工作机制。

相关推荐
23zhgjx-ctl2 小时前
111111
网络·智能路由器
&&Citrus10 小时前
【CPN学习笔记（二）】Chap2 非分层颜色 Petri 网——从一个简单协议开始读懂 CPN
笔记·学习·php·cpn·petri网
古译汉书10 小时前
【IoT死磕系列】Day 9：架构一台“自动驾驶物流车”，看8种协议如何协同作战
网络·arm开发·单片机·物联网·tcp/ip·架构·自动驾驶
HXQ_晴天10 小时前
Linux 磁盘清理 & 查看常用指令笔记
笔记
哼？~12 小时前
Linux--网络基础
网络
苏渡苇13 小时前
Docker 网络完全指南
网络·docker·容器·docker容器·容器通信
小陈phd14 小时前
多模态大模型学习笔记（三十）—— 基于YOLO26 Pose实现车牌检测
笔记·学习
野指针YZZ14 小时前
XV6操作系统：trap机制学习笔记
笔记·学习
风曦Kisaki15 小时前
# Linux 磁盘查看命令详解：df 与 du
linux·运维·网络
热门推荐
01GitHub 镜像站点02一周AI热点速览（2026.03.31-04.06）：GPT-6曝光、谷歌开源Gemma 4、资本狂飙与模型军备竞赛03OpenClaw 请求超时 llm request timed out 怎么解决？3 种方案实测，附完整排查流程04AI 编程效率翻倍：Superpowers Skills 上手清单 + 完整指南05VMware Workstation Pro 17 虚拟机完整安装教程（2026最新）06Qwen3.5-Omni与Qwen3.6模型全面解析（含测评/案例/使用教程）07Oh My Codex 快速使用指南08【Vulhub】Fastjson 1.2.24_rce复现09UV安装并设置国内源10Claude Code 未登录 使用第三方模型