TCP/IP协议专栏——IP 详解——网络入门和工程维护必看

IP地址

互联网上的每个接口必须有一个唯一的Internet地址（也称作IP地址）。
IP地址长通常写成四个十进制的数，其中每个整数对应一个字节，4字节，共32 bit，1字节=8bit，

有三类I P地址：

1、单播地址（目的为单个主机）、
2、广播地址（目的端为给定网络上的所有主机）
3、多播地址（目的端为同一组内的所有主机）。

IP地址分类

IP还可以分类为，私有地址和公有地址：

1、公网地址（Public address）
由Inter NIC（Internet Network Information Center 因特网信息中心）负责。这些IP地址分配给注册并向Inter NIC提出申请的组织机构。通过它直接访问因特网。

2、私网地址（Privateaddress），
就是就是国际上分配IP的时候，留出一部分IP，不用于在Internet上用可用于内部局域网等，虽然功能一样，但不能在Internet上使用。属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。私网地址不能够直接访问外网，必须通过地址转换相关的协议转换成公网地址，才能够访问外网。

以下列出留用的内部私有地址
A类 10.0.0.0–10.255.255.255
B类172.16.0.0–172.31.255.255
C类 192.168.0.0–192.168.255.255

特殊的IP

下列地址不能分配给实际的网络：

1、 第一个八位组是127的地址(如127.0.0.1)定义为回返地址。对于所有发往回返地址的数据，网络栈将视为传输给自己的数据，尽管数据沿网络栈向下传递，并没有真正发送到网络媒体上。这种方法允许主机通过其网络接口与自己通信，这对于测试很有用。
2、 主机部分为全1的地址是广播地址。网络上的所有主机都将接收以广播地址为目的地址的数据。
3、全0的地址表示本网络或本主机。一个表示特定网络的A类地址若主机部分为全0表示在此特定网络上的本主机。同样，网络地址为全0(如0.0.121.1 )表示在本网络上的特定主机。

1、回返地址占用了一个A类网络地址，否则127将是最高阶的A类地址。
2、对于全0地址( 0.0.0.0 )的保留又减少了一个A类地址。因此，有效的A类网络局限于第一个八位组为1 ~ 126，而不是0 ~ 127，即只有126个可能的A类地址。
3、 保留地址也影响到每个网络上的唯一主机地址的数量。网络上的最大主机数变成了2的n次方- 2，而不是2的n次方，对于A类，n = 24；B类，n=16；C类，n =8。全0或全1地址分别保留下来，以用于本主机或广播地址。虽然这并没有显著的减少A类和B类地址的数量，但却把C类地址的数量从256减少到了254。这种地址丢失在网络划分为子网时变得更加严重(子网将在后面讨论)。

子网寻址

现在所有的主机都要求支持子网编址。
不是把IP地址看成由单纯的一个网络号和一个主机号组成，而是把主机号再分成一个子网号和一个主机号。
这样做的原因是因为A类和B类地址为主机号分配了太多的空间，可分别容纳的主机数为2的24次方-2和2的16次方-2(由于全0或全1的主机号都是无效的，因此我们把总数减去2)。
各类IP地址的格式如图所示。
A类地址只有126个（2的7次方-2=126），用于那些最大的实体，如政府机关，因为它们连接着最多的主机：理论上最多可达一千六百万台。
B类地址大约16000个（2的14次方-2=16382），用于大型机构，如大学和大公司，理论上可支持超过65 000台主机。
C类网络超过两百万个（2的21次方），每个网络上的主机数量不超过255个，用于使用I P网络的其他机构。

在InterNIC获得某类IP网络号后，就由当地的系统管理员来进行分配，由他（或她）来决定是否建立子网，以及分配多少比特给子网号和主机号。

例如，这里有一个B类网络地址（140 . 252），在剩下的16 bit中，8 bit用于子网号， 8 bit用于主机号，格式如图3 -5所示。这样就允许有254个子网，每个子网可以有254台主机(2的8次方=254)

子网掩码

任何主机在引导时进行的部分配置是指定主机IP地址。
大多数系统把IP地址存在一个磁盘文件里供引导时读用。
在第5章我们将讨论一个无盘系统如何在引导时获得IP地址。

除了I P地址以外，主机还需要知道有多少比特用于子网号及多少比特用于主机号。这是在引导过程中通过子网掩码来确定的。这个掩码是一个32bit的值，其中值为1的比特留给网络号和子网号，为0的比特留给主机号。 如图3 - 7所示，子网号和主机号都是8 bit宽。第二个例子是一个B类地址划分成10 bit的子网号和6 bit的主机号

尽管I P地址一般以点分十进制方法表示，但是子网掩码却经常用十六进制来表示，特别是当界限不是一个字节时，因为子网掩码是一个比特掩码。

给定IP地址和子网掩码以后，主机就可以确定IP数据报的目的是：
(1)本子网上的主机；
(2)本网络中其他子网中的主机；
(3)其他网络上的主机。
如果知道本机的IP地址，那么就知道它是否为A类、B类或C类地址(从IP地址的高位可以得知)，也就知道网络号和子网号之间的分界线。而根据子网掩码就可知道子网号与主机号之间的分界线。

子网掩码是用来判断任意两台主机的IP地址是否属于同一子网络的根据。
子网掩码与IP地址一一对应，是32bit的二进制数。
子网掩码为1表示网络位，为0表示主机位。

在子网掩码的32bit二进制数中，必须是连续的1和连续的0，也就是说不能存在0和1交叉出现的子网掩码。
由此可以得出，子网掩码只能是：
128、192、224、（10000000；11000000；11100000）（十进制~二进制）
240、248、252、（11110000；11111000；11111100）
254 和255中的值 （11111110；11111111）

子网掩码转换：二进制_十进制十六进制
(11111111.11111111.11111111.11111111)=255.255.255.255=0xffffffff=32（32个1） (11111111.11111111.11111111.11000000)=255.255.255.192=0xffffffc0=26(26个1)
11111111.11111111.11111111.00000000)=255.255.255.0=0xffffff00=24 (24个1)

IP地址相关计算

IP地址计算
对IP地址的相关计算包括，网络地址、网络广播地址、主机地址范围等的相关计算。

IP协议

IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。
所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输。

IP提供不可靠、无连接的数据报传送。

不可靠（ unreliable）的意思是它不能保证IP数据报能成功地到达目的地。
IP仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了
缓冲区， IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送ICMP消
息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如TCP）。

无连接（ connectionless）这个术语的意思是IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明， IP数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是A，然后是B），每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。

最高位在左边，记为0 bit；最低位在右边，记为31 bit。
4个字节的32 bit值以下面的次序传输：
首先是0～7 bit，其次8～15 bit，然后16～23 bit，最后是24～31 bit。
这种传输次序称作bigendian字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。以其他形式存储二进制整数的机器，如little endian格式，则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。

目前的协议版本号是4，因此IP有时也称作IPv4。

首部长度指的是首部占32 bit字的数目，包括任何选项。由于它是一个4比特字段，因此首部最长为60个字节。普通IP数据报（没有任何选择项）字段的值是5。

服务类型（TOS）字段包括一个3 bit的优先权子字段（现在已被忽略），4 bit的TOS子字段和1 bit未用位但必须置0。

4 bit的TOS分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。
4 bit中只能置其中1 bit。如果所有4 bit均为0，那么就意味着是一般服务。

总长度字段值，是指整个IP数据报的长度，以字节为单位。

标识字段，唯一地标识了主机发送的每一份数据报。
3bit标志字段，1bit reserved bit，1bit don’t fragment，1bit more fragment。

13bit片偏移，该片偏移原始数据报开始处的位置。
TTL 生存时间，设置了数据报可以经过的最多路由器数。
协议字段，表明了报文协议类型。
首部检验和，根据IP首部计算的检验和码