计算机网络（十）IP地址的基础知识

1.IP地址的定义

IP地址(IPv4地址）由32位正整数来表示。
TCP/IP通信要求将这样的IP地址分配给每一个参与通信的主机。
IP地址在计算机内部以二进制方式被处理。
将32位的IP地址以每8位为1组，分成4组，每组以“.”隔开，再将每组数转换为十进制数。

最多可以允许43亿台计算机连接到网络。实际上更少。
IP地址并非是根据主机台数来配置的，而是每一台主机上的每一块网卡（NIC）都得设置IP地址。
一台路由器通常都会配置两个以上的网卡，因此可以设置两个以上的IP地址。

2.IP地址由网络和主机两部分标识组成

网络标识在数据链路的每个段配置不同的值。
网络标识必须保证相互连接的每个段的地址不相重复。
相同段内相连的主机必须要有相同的网络地址。
IP地址的“主机标识”则不允许在同一个网段内重复出现。
IP地址具有唯一性。
IP包被转发到途中某个路由器时，正是利用目标IP地址的网络标识进行路由。
网络标识与主机标识的区别：最初二者以分类进行区别。而现在基本以子网掩码（网络前缀）区分。有些情况下依据部分功能、系统和协议的需求，前一种的方法依然存在。

3.IP地址的分类

IP地址分为四个级别，分别为A类、B类、C类、D类（还有一个一直未使用的E类）。
根据IP地址中的第1位到第4位的比特列对其网络标识和主机标识进行区分。

a.A类地址

A类IP地址是首位以“0”开头的地址。
从第1位到第8位是它的网络标识。
用十进制表示的话，0.0.0.0~127.0.0.0是A类的网络地址。
A类地址的后24位相当于主机标识。
一个网段内可容纳的主机地址上限为16777214个。

b.B类地址

B类IP地址是前两位以“10”开头的地址。
从第1位到第16位是它的网络标识。
用十进制表示的话，128.0.0.1~191.255.0.0是B类的网络地址。
B类地址的后16位相当于主机标识。
一个网段内可容纳的主机地址上限为65534个。

c.C类地址

C类IP地址是前两位以“110”开头的地址。
从第1位到第24位是它的网络标识。
用十进制表示的话，192.168.0.0~239.255.255.0是C类的网络地址。
C类地址的后8位相当于主机标识。
一个网段内可容纳的主机地址上限为254个。

d.D类地址

D类IP地址是前两位以“1110”开头的地址。
从第1位到第32位是它的网络标识。
用十进制表示的话，224.0.0.0~239.255.255.255是D类的网络地址。
D类地址没有主机标识。
常被用于多播。

e.关于分配IP主机地址的注意事项

在分配IP地址时关于主机标识有一点需要注意。即要用比特位表示主机地址时，不可以全部为0或全部为1。
因为全部为只有0在表示对应的网络地址或IP地址不可获知的情况下才使用。
全部为1的主机地址通常作为广播地址。
在分配过程中，应该去掉这两种情况。

4.广播地址

广播地址用于在同一个链路中相互连接的主机之间发送数据。
将IP地址的主机部分全部改为1，则形成广播地址。
本地广播：在本网络内的广播。其广播地址的IP包会被路由器屏蔽。
直接广播：在不同网络之间的广播。其地址路由器可以转发。（由于直接广播有一定的安全问题，多数情况下会在路由器上设置为不转发）

5.IP多播

a.同时发送提高效率

多播用于将包发送给特定组内的所有主机。由于其直接使用IP协议，因此也存在不可靠传输。
广播无法穿透路由，多播既可以穿透路由器，又可以实现只给那些必要的组发送数据包。

IP多播与地址

多播使用D类地址。如果从首位开始到第四位是“1110”，就可以认为是多播地址。而剩下的28位可以成为多播的组编号。

从224.0.0.0到239.255.255.255都是多播地址的可用范围。
224.0.0.0到224.0.0.255的范围不需要路由控制，在同一个链路内也能实现多播。
在这个范围之外设置多播地址会给全网所有组员成员发送多播的包。
对于多播，所有的主机（路由器以外的主机和终端主机）必须属于224.0.0.1的组，所有的路由器必须属于224.0.0.2的组。
利用IP多播实现通信，除了地址外还需要IGMP等协议的支持。

6.子网掩码

a.分类造成浪费

网络标识相同的计算机必须同属于同一个链路。
随着互联网的范围逐渐增大，网络地址会越来越不足以应对需求，直接使用A类、B类、C类地址就更加显得浪费资源。

b.子网与子网掩码

“子网掩码”的识别码通过子网网络地址细分出A类、B类、C类更小粒度的网络。
实际上就是将原来A类、B类、C类等分类中主机地址部分用作子网地址，可以将原网络分为多个物理网络的一种机制。
引入子网后，一个IP地址就会有两种识别码。一种是IP地址本身，另一个是表示网络部的子网掩码。
子网掩码用二进制方式表示的话，也是一个32位的数字。
对应IP地址网络标识部分的位全部为“1”，对应IP地址主机标识的部分则全部为“0”。
子网掩码必须是IP地址的首位开始连续的“1”。
子网掩码目前有两种表示方式：
方式1：将IP地址与子网掩码的地址分别用两行来表示。

方式2：每个IP地址后面追加网络地址的位数用“/”隔开。记述网络地址时可以省略后面的“0”。

7.CIDR与VLSM

CIDR: 采用任意长度分割IP地址的网络标识和主机标识。意为“无类型域间选路”。
根据CIDR，连续多个C类地址就可以划分到一个较大的网络内。
CIDR更有效的利用了当前IPv4地址，同时通过路由集中降低了路由器的负担。


在CIDR被应用到互联网的初期，网络内部采用固定长度的子网掩码机制。
VLSM（可变长子网掩码）：可以随意修改组织内部各个部门的子网掩码长度的机制。

8.全局地址与私有地址

解决IP地址不足的问题：不要求为每一台主机或路由器分配一个固定的IP地址，而是在必要的时候只为相应数量的设备分配唯一的IP地址。
私有网络IP地址：

包含在上图范围的IP地址都属于私有IP，而在此之外的IP地址称为全局IP。
NAT技术：能够互换私有IP与全局IP，使得配有私有地址的主机与配有全局地址的互联网主机实现了通信。
全局IP地址基本上要在整个互联网范围内保持唯一，但私有地址不需要。只要在同一个域里保证唯一即可。在不同的域里出现相同的私有IP不会影响使用。
私有IP地址结合NAT技术已成为解决IP地址分配问题的主流方案。

9.全局地址由谁决定

在世界范围内，全局IP由ICANN进行管理。
在日本由JPNIC管理。
在互联网被广泛商用之前，用户只有直接向JPNIC申请全局IP地址才能接入互联网。
随着ISP的出现，人们在向ISP申请接入互联网的同时往往还会申请全局IP地址。实际上是ISP代替用户向JPNIC申请了一个全局IP地址。
对于FTTH和ADSL的服务，网络提供商直接给用户分配全局IP地址。
一般只有在需要固定IP的情况下才会申请全局IP地址。

现在普遍采用的一种方式是，在LAN中设置私有地址，通过少数设置全局IP地址的代理服务器结合NAT的设置进行互联网通信。
IP地址个数就不限于LAN中主机个数而是由代理服务器和NAT的个数决定。
WHOIS：提高查询IP地址、AS编号以及搜索域名分配登记和管理人信息的服务。