【网络】- TCP/IP四层(五层)协议 - 网际层(网络层) - IP地址

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一、概述

上篇文章简单介绍了网际协议IP。网际协议 IP 大致分为三大作用模块， ①IP寻址、 ②路由（最终节点为止的转发） 、③IP分包与组包。
这篇文章主要详细介绍IP地址的基础知识。包括IP地址的组成、分类、广播地址、多播、子网掩码等。

在用 TCP/IP 通信时， 用 IP地址 识别主机和路由器。 为了保证正常通信， 有必要为每个设备配置正确的IP地址。 在互联网通信中， 全世界都必须设定正确的IP地址。 否则， 根本无法实现正常的通信。

因此， IP地址就像是TCP/IP通信的一块基石。

二、IP地址的定义

IP地址（IPv4地址） 由32位正整数来表示，在计算机内部以二进制（二进制是指用0、 1表示数字的方法）方式被处理。

现实中，更常使用点分十进制来表示IP地址，也就是将32位的IP地址以每8位为一组，分成4组， 每组以“.”隔开， 再将每组数转换为十进制数。

将表示成IP地址的数字整体计算， 会得出如下数值。$2^{32}$ = 4294967296 。从这个计算结果可知， 最多可以允许43亿台计算机连接到网络。但是有些主机包含多个网卡，要设置多个IP地址，这样的话，可用的IP地址就变少了。而且，IP地址分成 网络部分 和 主机部分，使IP地址的可用个数又少了许多。那怎么解决这个IP地址个数的问题呢？可以使用 IPv6 将 IP 地址个数增多，但现在普遍使用的还是NAT技术(一种使用私有地址的技术，后面的文章会讲)。

三、IP地址的组成

IP地址由 网络标识（网络地址） 和 主机标识（主机地址）两部分组成。网络标识 在数据链路的每个段配置不同的值，也就是常用来区分网段的标识，相同段内相连的主机必须有相同的 网络地址。主机地址 则不允许在同一网段内重复出现。

那么，在32位的IP地址中，网络地址 和 主机地址 分别占用多少位呢？
最初，网络地址 和 主机地址 占用的位数，以分类方式进行区别。 而现在基本以子网掩码（网络前缀） 区分，子网掩码可以让用户设置 网络地址 和 主机地址 的占用位数，例如：192.168.128.10/24的24就表示子网掩码有24位，也表示网络地址占用24位。

四、IP地址的分类

IP地址根据从第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，总共分为5类：

• A类地址：前8位是 网络地址(网络号)，剩下24位是 主机地址(主机号)；
  网络地址 的首位以0开头，剩余7位，总共有$2^7$=128个，用点分十进制表示A类网络地址范围为：0.0.0.0 ~ 127.0.0.0，其中0.0.0.0是个保留地址，意思为本网络；127.x.x.x的地址保留作为本地软件环回测试，例如，127.0.0.1就是环回地址。总共可用数位126个。
  主机地址 有$2^{24}$=16,777,216个，减去x.0.0.0和x.255.255.255，所以有 16,777,214 个。
• B类地址：前16位是 网络地址(网络号)，剩下16位是 主机地址(主机号)；
  网络地址 的前两位以10开头，剩余14位，总共有$2^{14}$=16384个，用点分十进制表示B类网络地址范围为：128.0.0.0 ~ 191.255.0.0，其中128.0.0.0不可使用，可使用的B类最小地址为128.1.0.0，总共可用网络地址数位 $2^{14}$-1=16383个。
  主机地址 有$2^{16}$=65536个，减去x.x.0.0和x.x.255.255，所以有 65534 个。
• C类地址：前24位是 网络地址(网络号)，剩下8位是 主机地址(主机号)；
  网络地址 的前三位以110开头，剩余21位，总共有$2^{21}$=2,097,152个，用点分十进制表示C类网络地址范围为：192.168.0.0 ~ 239.255.255.0，其中192.0.0.0不可使用，可使用的B类最小地址为192.0.1.0，总共可用网络地址数位 $2^{21}$-1==2,097,151个。
  主机地址 有$2^8$=256个，减去x.x.x.0和x.x.x.255，所以有 254个。
• D类地址：32位都是 网络地址(网络号)，没有主机地址，常用于 多播。
  网络地址 的前四位为1110开头，剩余28位，总共有$2^{28}$=268,435,456个，用点分十进制表示C类网络地址范围为：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255。
• E类地址：前四位为1111开头，未使用，保留。
  

五、广播地址

广播地址用于在同一个链路(网段)中相互连接的主机之间发送数据包。

将IP地址中的主机地址部分全部设置为1， 就成为了广播地址，例如192.168.1.255/24就是一个广播地址。

同样的，将MAC地址的所有位都设置为1，则形成FF:FF:FF:FF:FF:FF的广播地址，广播的IP包以数据链路的帧的形式发送时，需要通过MAC地址为全1比特的FF:FF:FF:FF:FF:FF转发。

广播分为本地广播和直接广播两种。在本网络内的广播叫做本地广播，在不同网络之间的广播叫做直接广播。

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参考资料：
《计算机网络》第7版 谢希仁 编著
《图解TCP/IP》第5版

主机的定义应该是指“配置有IP地址， 但是不进行路由控制的设备。既配有IP地址又具有路由控制能力的设备叫做“路由器”，而节点则是主机和路由器的统称。