TCP/IPIP地址的划分及其分类

Posted 2022-07-31 「零一」

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了TCP/IPIP地址的划分及其分类相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

本文是参考【TCP/IP详解卷一】的学习知识记录

本文是该系列文章的第二篇，将了解Internet中使用的网络层地址，又称IP地址。每个设备都至少需要一个IP地址，其可以作为我们设备的标识，就跟我们的电话号码一样，知道了电话号码就能找到我们，所以每个IP地址都是唯一的，所以在给每台设备分配IP时，会根据一套编号方案进行，本篇文章我们就来详细地了解一下它。

IP地址的划分及其分类

一、IP地址的表示
二、IP地址结构
三、结束语

一、IP地址的表示

IP作用于OSI参考模型中的网络层，在终端通信中作为唯一标识，便于确定数据的传递目标。

IP地址分为：IPv4 、IPv6

大多数用户熟悉并且流行的IP地址是IPv4，其是用点分四组十进制的表示方法展示的，例如 165.195.130.107 、197.101.0.0 等，每一组的数字都是非负的整数，范围在 [0, 255] 之间。

IPv4还有种写法是用二进制表示的，例如：

十进制表示	二进制表示
0.0.0.0	00000000 00000000 00000000 00000000
1.2.3.4	00000001 00000010 00000011 00000100
10.0.0.255	00001010 00000000 00000000 11111111
165.195.130.107	10100101 11000011 10000010 01101011
255.255.255.255	11111111 11111111 11111111 11111111

因此称IPv4是32位的。而IPv6的位数就比较大了，是128位的，长度是IPv4的4倍，并且其表示方式是分块的八组四个十六进制数，例如：5f05:2000:80ad:5800:0058:0800:2023:1d71，每个块儿之间都是用 : 隔开的。

IPv6看着特别得长，所以它得简化表示法已经有一套标准，规则如下：

每个块儿中前导的零可省略。例如5f05:2000:80ad:5800:0058:0800:2023:1d71 按照此规则简化后为 5f05:2000:80ad:5800:58:800:2023:1d71
整个块儿都为零的可以省略不写，并用 :: 代替其位置，但整个IPv6地址中只能出现一次 :: 符号。例如 0:0:0:0:0:0:0:1 按照此规则简化后为 ::1

当然IPv6也是可以用二进制表示的，表示结果如下：

十六进制表示	二进制表示
5f05:2000:80ad:5800:0058:0800:2023:1d71	0101111100000101 0010000000000000 1000000010101101 0101100000000000 0000000001011000 0000100000000000 0010000000100011 0001110101110001
::1	0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000001

如果把IPv6和端口号一起使用的话，可能会出现这样的情况：http://2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344:443/，该URL中，最后一个 :443 其实表示的是端口号，但与IPv6一起使用时看起来好像也成为了一个块儿部分，因此我们需要用 [] 符号将IPv6部分包裹起来，结果如下：http://[2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344]:443/

二、IP地址结构

上面提到，IP是作为终端的唯一表示，因此只有当保证每个IP都不同时，才能保证IP的唯一性。其中，IPv4地址的长度为32位，因此就有 $2^32$ 种可能的地址，那么同理，IPv6地址的长度为128位，因此就有 $2^128$ 种可能的地址。

这些地址就是作为数据包发送的目的地址，当然每个地址都会有它们各自的含义，例如单播、组播、广播等，当然还有一些地址是会被保留用于实验的

单播可以理解为一台主机发送单一的数据包给另一台主机；
组播可以理解为一台主机发送单一的数据包给多台主机；
广播可以理解为一个节点向其它所有的节点发送数据包；

IPv4种大多的数的地址都为单播

（1）分类寻址

那么IP地址既然是作为识别特定主机的唯一标识，那么到底是如何被识别的呢？其实在长度为32位的IPv4地址中，有一段连续位称为网络号，还有一段连续位称为主机号。

因为有时在同一个网络中，可能会有多台主机，就例如一个电子计算机教室看成一个网络，教室中有60台电脑，那么这60台电脑都属于这一个教室所处的网络，而每台电脑又需要在该网络下单独分配一个唯一的标识

因此，在识别IP地址时，就是先通过识别IP地址中的网络号来确认目的地址处于哪个网络区域，然后再识别主机号，来确认这个网络中特定的主机。

我们将IPv4地址用二进制表示，一段地址的网络号和主机号分类可以分为5类：A类、B类、C类、D类、E类，区别如下图：

A类： 网络号共8位，首位固定为 0，接下来连续的7位可以自由设定；主机号为24位
B类： 网络号共16位，前两位固定为 1 0，接下来连续的14位可以自由设定；主机号为16位
C类： 网络号共24位，前三位固定为 1 1 0，接下来连续的21位可以自由设定；主机号为8位
D类： 为组播地址，共32位，前四位固定为 1 1 1 0
E类： 为保留地址，共32位，前四位固定为 1 1 1 1

其中A 、B 、C类地址大多都是单播地址，因此它们可用于接口分配。举个例子，A类地址网络号共8位，其中首位固定为 0，那么还有7位可以自由设定，那么就共有 $2^7$ 个网络数；主机号共24位，那么就共有 $2^24$ 个主机数。（同样的，我们可以推出其它类别的地址的网络数和主机数）因此我们可以理解为，用A类地址一共可以为 $2^7$ 个电子计算机教室分配使用，每个教室可以容纳 $2^24$ 台主机

IPv4地址的范围在 0.0.0.0 ~ 255.255.255.255 之间，那么我们来看看这五类地址各自的地址范围时如何的吧~

A类地址首位固定为 0，因此A类地址用二进制表示为 0XXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX，因此A类地址用十进制表示时，第一组最小为0，其余三组最小也为0，即 0.0.0.0；

B类地址前两位固定为 1 0，因此B类地址用二进制表示为 10XXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX，因此B类地址为十进制表示时，第一组最小为128，其余三组最小为0，即 128.0.0.0，那么A类地址的范围就可以确定为 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255

C类地址前两位固定为 1 1 0，因此B类地址用二进制表示为 110XXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX，因此C类地址为十进制表示时，第一组最小为192，其余三组最小为0，即 192.0.0.0，那么B类地址的范围就可以确定为 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255

以此类推，即可推出D 、E类的地址范围

我们将IPv4地址的空间划分情况总结在了下表中：

类	地址范围	网络数	主机数
A	0.0.0.0 ~ 127.255.255.255	$2^7$	$2^24$
B	128.0.0.0 ~ 191.255.255.255	$2^14$	$2^16$
C	192.0.0.0 ~ 223.255.255.255	$2^21$	$2^8$
D	224.0.0.0 ~ 239.255.255.255	/	/
E	240.0.0.0 ~ 255.255.255	/	/

上面有提到，A、B、C类地址中大多都是单播，那么也有几个地址不作为单播地址使用，一般都是地址块儿中的第一个地址和最后一个地址不使用，所以假设分配得到的地址块儿为 127.0.0.0，那么实际能分配的单播地址数就为 $2^24 - 2$

（2）子网寻址

查看上述的A类地址，它可使用的主机数有 $2^24$ 个，那么当分配了A类IP地址后，却发现并没有那么多的主机，这样就造成了剩余可用主机数的浪费；或者说被分配了C类地址后，却发现有上万台主机，而C类地址可用的主机数只有 $2^8$ 个，因此只能给其多分配几个C类地址，那么C类地址就很容易被消耗完

为了解决上述办法，又采用了一种叫做子网寻址的方法，即假设当一个站点被分配了B类地址，那么该站点的管理员可以将B类地址的主机号部分继续分成两部分，分别为 子网号 和 主机号，这两者所占的位数可以根据实际需求自由分配，例如分配给子网号8位，分配给主机号8位，即平分，结果如下图：

此时的站点可以支持 $2^8=256$ 个子网，每个子网中最多可支持 $2^8-2=254$ 台主机（每个子网的第一个地址和最后一个地址不会被使用）

这样在站点内，路由器就可以根据子网号和主机号监测到不同子网的流量了，如下图所示：

上图中，该站点被分配了一个B类地址 128.32.x.x，而管理员此时选择将其继续划分为多个子网，如图中的子网1和子网2，它们分别是开始于 128.32.1 和 128.32.2，并且左右两台主机都分别属于各自的子网。

那么路由器是如何在地址中寻找子网号的呢？这就要设置一个名为子网掩码的参数了

（3）子网掩码

子网掩码是由一台主机或路由器使用的分配位，用以确定如何从一台主机对应的IP地址中获得网络和子网信息，更通俗点说，通过它可以确定一个IP地址的网络/子网部分的结束和主机部分的开始。

子网掩码跟IP地址的长度相等（IPv4位32位，IPv6为128位），对于IPv4来说，子网掩码也是用点分四组十进制来表示的。当子网掩码用二进制表示时，结构非常简单且容易记忆，从左边开始由一段连续的1组成，紧接着又一段连续的0组成直到最后。其中连续的1的长度称为前缀长度，用 /长度 来表示

举例各种类型的子网掩码：

十进制表示	前缀长度	二进制表示
128.0.0.0	/1	10000000 00000000 00000000 00000000
255.0.0.0	/8	11111111 00000000 00000000 00000000
255.192.0.0	/10	11111111 11000000 00000000 00000000
255.255.0.0	/16	11111111 11111111 00000000 00000000
255.255.254.0	/23	11111111 11111111 11111110 00000000
255.255.255.224	/27	11111111 11111111 11111111 11100000
255.255.255.255	/32	11111111 11111111 11111111 11111111

接下来说说子网掩码是如何使用的，其二进制位1对应IP地址的网络/子网部分；相反，0对应IP地址的主机号部分。换个说法就是子网掩码第一个0所对应IP地址的位为主机号的第一位；也可以借用前缀长度来判断，即前缀长度后一位对应的也是IP地址主机号的第一位。

例如刚才举的例子，站点管理员将B类地址 128.32.x.x 的主机位划分位8位的子网号和8位的主机号，那么他就会提前设置好一个长度为 $16 + 8 = 24$ 的子网掩码，即 255.255.255.0，表示前24位是网络/子网部分，那么路由器在处理图中的IPv4地址 128.32.1.14时，会先查看一下子网掩码，此时将IP地址和子网掩码对应的位进行与运算即可获得该IP所处的是哪个子网，运算过程如下图：

结果中的 128.32.1.0 就是IP地址 128.32.1.14 所属的子网

但此时有没有发现一个问题？虽然给地址划分了子网号和主机号，但是每个子网号所对应子网的主机数就固定死了，而且每个子网所支持的主机数都是一样的，这一定是不合理的，因为实际应用中，可能这个区域只需要支持10台主机，而另一个区域需要支持100台主机，那么我们此时在划分子网号和主机号的时候，至少要让每个子网支持的主机数大于100台，那只需要支持10台主机的区域分配到了一个子网，岂不是至少浪费了其中的90个空间么？面对这样的问题，我们又该如何解决呢？

（4）可变长度的子网掩码

上个部分刚说过，路由器在寻找子网号时，是通过我们设置的子网掩码来查找的，那么我们不妨根据不同的需求设置多个子网掩码，来达到子网号和主机号分配比例不唯一的需求，这就是VLSM（Variable Length Subnet Mask，可变长度的子网掩码）的实现

比如，我们上面举得例子，当前站点被分配到了一个B类地址，该站点的某个区域需要支持100台主机，那么我们可以给这个区域分配一个子网号，同时设置其子网掩码为 255.255.255.128，其前缀长度为 25，因此留给主机位的位数还有 $32 - 25 = 7$ 位，则该子网支持主机数为 $2^7-2=126$ 台，可以满足该区域的需求；再来看另一个区域，它们需要支持的主机台数为10，那么我们可以给该区域分配另一个子网号，同时设置子网掩码为 255.255.255.240，其前缀长度为 28，因此留给主机的位数还有 $32 - 28 = 4$ 位，则该子网支持的主机数为 $2^4-2=14$ 台，同样可以满足该区域的需求。