计算机网络：IP地址相关概述

Posted 2021-06-12 Zeker62

IP地址概念

IP地址就是在网络中的一个地址，每个地址代表者一个用户或者服务器。
整个互联网是一个单一的、抽象的网络。
IP地址的存在使我们可以很快地在互联网上寻址
IP地址由互联网名字和数字分配机构ICANN进行分配

IP地址经历历史阶段

• 分类的IP地址：最基本的编址方法
• 子网的划分：编址方法的改进
• 构成超网：新的无分类的编址方法。

IP地址的表示

IP地址用点分十进制来表示，这里所称的IP地址是IPv4地址。
由32位2进制组成。

八位二进制对应的十进制

八位二进制	十进制
00000000	0
1000000	128
11000000	192
11100000	224
11110000	240
11111000	248
11111100	252
11111110	254
11111111	255

分类的IP地址

IP地址分为网络部分与主机部分：

• 目标IP地址和源IP地址的网络部分相同，则认为目标和源在同一个物理网络，直接发送，否则发送给路由器。
• 在IP地址的设计，最关键的问题是确定IP地址中网络部分和主机部分。

分类的IP地址就是将IP地址根据网络号划分成若干个固定位。

传统的分类IP地址将32bit的IP地址分为两部分，第一部分是网络号所在的部分,表示主机（路由器）所连接到的网络，而另一部分是主机号所在的部分,表示某个网络中的某个具体的设备。

这种两级的IP地址可以记为：IP地址＝{<网络号>,<主机号>}

传统的分类IP地址将IP地址分成若干类，每一类都事先规定了网络号所占的位数。具体分类如下：

1. A类
   A类地址，前8位分配给网络地址，后24位分配给主机地址。如果第1个8位位组中的最高位是0，则地址是A类地址。A类地址的网络地址可以取0 ~ 127的可能的八位位组。
   在这些地址中，0和127具有保留的特殊功能，0表示本网络，127表示本机环回地址。所以实际的范围是1~126。所以A类中仅仅有126个网络可以使用。因为仅仅为网络地址保留了8位。主机数字可以有24位，每个网络可以有2^24 －2个主机。
   注意：全1的主机号和全0的主机号不能称为主机的IP地址，因为全1的主机号表示本网段的广播地址，全0的主机号表示本网段。
2. B类
   B类地址中，前16位分配给网络地址，后16位分配给主机地址，一个B类地址用网络地址的头两位10来标志。网络地址实际上留下了14位，所以可能的组合产生了214个网络，而每个网络包含2^14－2个主机。
3. C类
   C类为网络地址分了前24位，为主机地址留下了后8位。C类地址的网络地址的前3位为110，同上可知可能产生的C类网络有224个网络，而每个网络可能包含2^8－2个主机。
4. D类
   D类地址以1110开始。这代表的八位位组从224~239。这些地址并不用于标准的IP地址。用于多播IP地址。
5. E类
   如果第1个8位位组的前4位都设置为1111 ，则地址是一个E类地址。这些地址的范围为240~254。这类地址并不用于传统的IP地址。这个地址类有时候指实验室或研究类。（保留为今后使用）

A B C类都是单播（一对一通信）地址。

特殊的IP地址

• 网络地址：主机号全0的地址：192.168.1.0
• 特定网络广播地址：主机号全1的地址：192.168.1.255
• 本地链路广播地址：255.255.255.255
• 本地回环地址：127.0.0.1

虽然大多数 IPv4 主机地址是公有地址，指定用于可以通过 Internet 访问的网络中，但也有一些地址块用于需要限制或禁止 Internet 访问的网络中。此类地址称为私有地址。

私有地址

私有地址块是：
10.0.0.0 到 10.255.255.255 (10.0.0.0 /8)
172.16.0.0 到 172.31.255.255 (172.16.0.0 /12)
192.168.0.0 到 192.168.255.255 (192.168.0.0 /16)

私有空间地址块保留供私有网络中使。这些地址即便在网络外部不是唯一地址，也可在内部使用。不需要自由访问 Internet 的主机可以无限制使用私有地址。不过，内部网络仍然必须设计网络地址方案，确保私有网络中的主机使用其所在网络环境中唯一的 IP 地址。
位于不同网络中的许多主机可以使用同一个私有空间地址。使用此类地址作为源地址或目的地址的数据包不得出现在公有 Internet 上。位于这些私有网络边界的路由器或防火墙设备必须阻止或转换此类地址。即使此类数据包应该转发到 Internet，路由器也没有路由可将其转发到相应的私有网络。

IP地址的判断

地址类型	范围
A类	1.0.0.0~126.255.255.255
B类	128.1.0.0~191.255.255.255
C类	192.0.1.0~223.255.255.255

判断一个IP地址是否能有效的使用在公网的设备上，有三个判断依据：

1. 判断该IP地址是否属于A,B,C类，若不属于，则无效。
2. 判断该IP地址是否属于网络地址（主机号为0),或广播地址(主机号为1),若属于，则无效。
3. 判断该IP地址是否属于特殊地址或内网（私有）地址，若属于，则无效。

参考上述判断依据，可知：
4. IP 1.1.1.1有效，不要误认为该IP地址主机号全1是广播地址，实际上，主机号1.1.1的二进制表示为0000000100000001000000001,并非全1。
5. IP 10.1.1.0属于内网地址，无效。
6. IP 127.0.0.1属于特殊本机回环地址，无效。
7. IP 200.200.200.255属于C类地址，主机号全1，属于广播地址，无效。
8. IP 131.107.0.0属于B类地址，主机号全0,属于网络地址，无效。
9. 192.168.100.0属于C类内网的网络地址，无效。
10. 229.0.0.1属于D类组播地址，无效。

基于分类IP判断IP网络的个数

由6个IP网络组成的互联系统，包括三个局域网，三个广域网.
计算方法：有几个路由器就有几个局域网。排列组合C23=3有三个广域网。
每个物理网络的IP地址都属于同一个IP网，因此从IP角度看，图中网络个数也为6个。

基于IP的分组发送过程

分类IP地址的相关思考

• 路由器需要IP地址，有多少个物理接口连入网络就需要多少个IP地址。
• IP地址如果是公有地址在全球必须唯一，如果是私有地址，在一个内部网络内必须唯一，但私有地址可以给任何公司随意使用，不同公司使用的私有地址可能相同。
• 连在同一Hub（集线器）的IP地址网络号不同的主机之间可以在IP网上通信，前提是必须有路由器。（如图）源主机发送数据时会发现目标和自己不在同一个网络，需要发送给路由器，而路由器查找路由表后会将该分组从同一个接口发回，通过物理地址到达目标主机。

分类IP地址的弊端

传统的分类IP地址由于限定了网络号所在的位数使得在分配IP时出现了一些不合理的地方。

1. IP地址利用率不高
   因为网络号相同的IP在网络层就属于同一个网络，所以分配IP时一般都是按照网络来分配的。一个A类地址的主机数超过上千万，这对于任何一个单位来说都是不可能用到的。实际上对于大多数的A类地址和B类地址，都不可能用到所拥有的IP地址。据统计，超过半数的B类地址网络所连接的主机还不到50台。而这些单位因为考虑今后发展的需要，不愿意申请一个足够使用的C类地址。这使得大量的IP地址没有用到,造成浪费。
2. 网络性能问题
   从网络的吞吐量看，大量的主机连在一个网络上往往会影响网络的性能。网络的吞吐量和网络上工作的主机数大约成正比。但当网络上工作的主机数超过一定数值时，拥塞就可能产生。所以有些网络对连接到网络上的计算机数目有限制，例如10BASE-T以太网规定最大的结点数只有1024。很多这样的以太网若使用B类地址就浪费6万多个IP地址。
3. 两级的IP地址不够灵活
   有时候一个单位可能需要多个网络IP来应付多个部门，但是两级的IP地址不能够允许单位划分子网，该单位必须申请新的IP地址网段。如果有一种方式，能够在申请到的某一类地址后，能在此基础上划分子网，那么灵活性就会很好。