网络层笔记三、分类的IP地址

网络层笔记三、分类的IP地址

引言：我们把整个因特网看成是一个单一的，抽象的网络。IP地址就是给因特网上的每一台主机（或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围是唯一的32位的标识符。IP地址的编址方法共经历了分类、改进分类、无分类三个历史阶段，本文将介绍基础的分类编址方式，以辅助后面第四、第五篇笔记介绍改进分类（子网划分）及无分类（超网构成）。

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1、分类的IP地址结构

  所谓的“分类的IP地址”就是将IP地址划分为若干类，每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中第一个字段是网络号（net-id） ,它标志主机（或路由器）所连接到的网络。一个网络号在整个因特网范围内是唯一的。第二个字段是主机号（host-id），它标志该主机（或路由器）。一个主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内是唯一的。由此可见，一个IP地址在整个网络范围内是唯一的。

  这种两级的IP地址可以记为：IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>}，图1给出了各种IP地址的网络号字段和主机号字段，这里A类、B类和C类地址都是单播地址，是最常用的。

                    图1、IP地址中的网络号字段和主机号字段

  由图1可得到以下信息：

• A类、B类和C类地址的网络号字段,分别是1、2和3个字节长，而在网络号字段的最前面有1~3位的类别号，其数值分别规定为0、10和110
• A类、B类和C类地址的主机号字段分别为3、2和1个字节长
• D类地址（前4位1110）用于多播（一对多通信）
• E类地址（前四位1111）保留为以后用

2、A、B、C类常用地址及划分依据

2.1、依据

  从IP地址的结构来看，IP地址并不仅仅指明一个主机，而且还指明了主机所连接到的网络。
  把IP地址划分为A、B、C三个类别，当初是这样考虑的，各种网络的差异很大，有的网络拥有很多主机，有的网络上主机则很少。把IP地址划分为A类、B类、C类是为了更好满足不同用户的要求。当一个单位申请到一个IP地址时，实际上是获得了同样网络号的一块地址。其中具体的各个主机号则由该单位自行分配，只要做到单位管辖的范围内无重复的主机号即可。

2.2、A类地址

  A类地址的网络号字段占一个字节，只有7位可供使用（该字段第一位固定为0），但可指派的网络号是126个（即2⁷ - 2=)。减2的原因是:第一，网络号字段为全0的IP地址是个保留地址，意思是“本网络”。第二，网络号为127即（01111111）保留作为本地软件环回测试（loopback test）本主机的进程之间通信之用。

若主机发送一个目的地址为环回地址（如127.x.x.x）的IP数据报，则本主机中的协议软件就处理数据报中的数据，不会把数据报发送到任何网络。目的地址为环回地址的IP数据报永远不会出现在任何网络上，因为网络号为127的地址根本不是一个网络地址。

  A类地址的主机号占三个字节，因此每一个A类网络中的最大主机号为2²⁴ - 2，即16777214。这里减2的原因是：全0的主机号字段表示该IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址（例如一主机IP地址为5.6.7.8，则该主机所在的网络地址就是5.0.0.0），而全1表示所有的（all）,因此全1的主机号字段表示该网络上的所有主机。
  IP地址空间共有2³² 即4294976296个地址。整个A类地址空间共有2³¹个地址，占有整个地址空间的50%。

2.3、B类地址

  B类地址的网络号字段有2字节，但前面两位（10）已经固定了，只剩下14位可以进行分配。因为网络号字段后面的14位无论怎样取值也不可能出现使整个2字节网络号字段称为全0或者全1，因此这里不存在网络总数减2的问题。但实际上B类网络地址128.0.0.0是不指派的，可以指派的B类最小地址为128.1.0.0.因此B类地址可指派的网络数为2¹⁴ - 1， 即16383。B类地址的每一个网络上最大主机数是2¹⁶ - 2，即65534，这里需要减去全0和全1的主机号。整个B类地址空间共约有2³⁰个地址，占整个IP地址空间的25%。
2.4、C类地址

  C类地址有3个字节的网络号字段，最前面的3位是（110），还有21位可以进行分配。C类网络地址192.0.0.0也是不指派的， 可以指派的C类地址最小是192.0.1.0，因此C类地址可指派的网络总数是2²¹ - 1，即2097151.每一个C类地址最大主机数是2⁸ - 2，即254。整个C类地址空间共约有2²⁹个地址，占整个IP地址的12.5%。

2.5、IP地址的指派范围

2.6、点分十进制记法
   对主机或路由器来说，IP地址都是32位的二进制代码。为了提高可读性，我们常常把32位的IP地址中的每8位插入一个空格（但机器中没有这样的空格）。要更加便于使用，可使用等效的十进制数字表示，并且在这些数字之间加上一个点。这就叫做点分十进制记法。图2表示了这种方法，显然，128.11.3.11比10000000000010110000001100011111使用起来方便得多。

                    图2、采用点分十进制记法提高可读性

3、IP地址的一些重要特点

(1) IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：
第一，IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。
第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。

(2) 实际上 IP 地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。
当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomed host)。
由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。

(3) 按照因特网的定义，一个网络是指具有相同网络号net-id的主机的集合，因此用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号 net-id。

(4) 在IP地址中，所有分配到网络号 net-id 的网络，范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。

4、一个实际例子

                    图3、互联网中的IP地址
   图3画出了三个局域网LAN1、LAN2、LAN3通过三个路由器(R1、R2、R3)互连起来构成的一个互联网（用虚线圆角方框表示）。其中局域网LAN2是由两个网段通过网桥B互连的。图中圆圈表示需要一个IP地址。
  结合上面内容及IP地址特点，我们应该注意到：

• 在同一个局域网上的主机或路由器的IP 地址中的网络号必须是一样的。图中的网络号就是 IP 地址中的 网络号字段的值。
• 路由器总是具有两个或两个以上的 IP 地址。路由器的每一个接口都有一个不同网络号的 IP 地址。
• 两个路由器直接相连的接口处，可指明也可不指明 IP 地址。如指明 IP 地址，则这一段连线就构成了一种只包含一段线路的特殊“网络”（如图中N1、N2、N3） 。之所以称之为网络，因为他们有IP地址、但为了节省IP地址，对于这种仅由一段连线构成的特殊“网络”，现在常不指明 IP 地址。称为无编号网络或者无名网络

• 用网桥（它只在数据链路层工作）互连的网段仍然是一个局域网，只能有一个网络号

  备注：实际可以分配的IP号等于 可指派的网络号 * 单个网络最大主机数，以A类地址为例，为（2⁷ - 2) * （2²⁴ - 2) 当然粗略记为2³¹

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参考资料：
《计算机网络第六版》 谢希仁著

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