1,IP地址简介

前面我们已经了解了TCP/IP协议的网络层的相关协议，并且已经在OSI参考模型中了解到每一个协议栈的网络层都有网络层地址，TCP/IP协议也不例外。本节重点介绍TCP/IP协议栈的网络层地址------IP地址。IP地址是进行复杂的子网规划的基础。

我们前面已经学习到，数据链路层有物理地址-----MAC地址，也知道，MAC地址是全球唯一的。当有数据发送时，源网络设备查询对端设备的MAC地址，然后将数据发送过去。然而，MAC地址通常存在于一个平面地址空间，没有清晰的地址层次，只适合于本网段主机的通信，另外，MAC地址固化在硬件中，灵活性较差。对于不同网络之间的互连通信，我们通常使用基于软件实现的网络层地址----IP地址来通信，提供更大的灵活性。

在我们学习IP地址前，假定您已经掌握了二进制、十进制、十六进制的相关知识。

IP地址，又称逻辑地址，和MAC地址一样，IP地址也是独一无二的。每一台网络设备用IP地址来唯一的标识。IP地址由32个二进制位组成，这些二进制数字被分为四个八位数组（octets），又称为四个字节。IP地址可以这样表示：

点分十进制形式：10.110.192.111

二进制形式：00001010.01101110.10000000.01101111

十六进制形式：0a.7e.80.7f

通常我们把IP地址表示为点分十进制形式，很少表示成十六进制形式。

由于IP地址有32个二进制位，理论上可以有232个IP地址可以使用，也就是43亿个IP地址。在互联网络上，如果每一台三层网络设备，例如路由器，为了彼此通信，储存每一个节点的IP地址，可以想象路由器会有多么大的路由表，这对路由器来说是不可能的。为了减少路由器的路由表数目，更加有效的进行路由，清晰的区分各个网段，决定对IP地址采用结构化的分层方案。

IP地址的结构化分层方案将IP地址分为网络部分和主机部分，区分网络部分和主机部分需要借助地址掩码（Mask）。网络部分位于IP地址掩码前面的连续二进制“1”位，主机部分是后面连续二进制“0”位。

IP地址的分层方案类似于我们常用的电话号码。电话号码也是全球唯一的。例如对于电话号码010-82882484，前面的字段010代表北京的区号，后面的字段82882484代表北京地区的一部电话。IP地址也是一样，前面的网络部分代表一个网段，后面的主机部分代表这个网段的一台设备。

IP地址采用分层设计，这样，每一台第三层网络设备就不必储存每一台主机的IP地址，而是储存每一个网段的网络地址（网络地址代表了该网段内的所有主机），大大减少了路由表条目，增加了路由的灵活性。

2,IP地址分类

IP地址的网络部分称为网络地址，网络地址用于唯一地标识一个网段，或者若干网段的聚合，同一网段中的网络设备有同样的网络地址。IP地址的主机部分称为主机地址，主机地址用于唯一的标识同一网段内的网络设备。例如，前面所述的A类IP地址：10.110.192.111，网络部分地址为10，主机部分地址为110.192.111。

那么如何区分IP地址的网络地址和主机地址呢？最初互联网络设计者根据网络规模大小规定了地址类，把IP地址分为A、B、C、D、E五类。

A类IP地址的网络地址为第一个八位数组（octet），第一个字节以“0”开始。因此，A类网络地址的有效位数为8-1=7位，A类地址的第一个字节为1~126之间（127留作它用）。例如10.1.1.1、126.2.4.78等为A类地址。A类地址的主机地址位数为后面的三个字节24位。A类地址的范围为1.0.0.0~126.255.255.255，每一个A类网络共有224个A类IP地址。

B类IP地址的网络地址为前两个八位数组（octet），第一个字节以“10”开始。因此，B类网络地址的有效位数为16-2=14位，B类地址的第一个字节为128~191之间。例如128.1.1.1、168.2.4.78等为B类地址。B类地址的主机地址位数为后面的二个字节16位。B类地址的范围为128.0.0.0~ 191.255.255.255，每一个B类网络共有216个B类IP地址。

C类IP地址的网络地址为前三个八位数组（octet），第一个字节以“110”开始。因此，C类网络地址的有效位数为24-3=21位，C类地址的第一个字节为192~223之间。例如192.1.1.1、220.2.4.78等为C类地址。C类地址的主机地址部分为后面的一个字节8位。C类地址的范围为192.0.0.0~ 223.255.255.255，每一个C类网络共有28=256个C类IP地址。

D类地址第一个8位数组以“1110”开头，因此，D类地址的第一个字节为224~239。D类地址通常作为组播地址。关于组播地址，在HCSE交换课程会有讨论。

E类地址第一个字节为240~255之间，保留用于科学研究。

我们经常用到的是A、B、C三类地址。IP地址由国际网络信息中心组织（International Network Information Center，InterNIC）根据公司大小进行分配。过去通常把A类地址保留给政府机构，B类地址分配给中等规模的公司，C类地址分配给小单位。然而，随着互联网络飞速发展，再加上IP地址的浪费，IP地址已经非常紧张。

现在进行IP地址规划时，我们通常在公司内部网络使用私有IP地址。私有IP地址是由InterNIC预留的由各个企业内部网自由支配的IP地址。使用私有IP地址不能直接访问Internet。原因很简单，私有IP地址不能在公网上使用，公网上没有针对私有地址的路由，会产生地址冲突问题。当访问Internet时，需要利用网络地址转换（NAT，Network Address Translation）技术，把私有IP地址转换为Internet可识别的公有IP地址。InterNIC预留了以下网段作为私有IP地址：A类地址10.0.0.0~10.255.255.255; B类地址172.16.0.0~ 172.31.255.255; C类地址192.168.0.0~192.168.255.255等。使用私有IP地址，不仅减少了企业用于购买公有IP地址的投资，而且节省了IP地址资源。但是这并不能完全解决IP地址短缺问题，目前已经正式提出了IPv6协议。IPv6地址有128个二进制位，共约2128个IP地址，完全可以解决IP地址紧张问题。

3,特殊IP地址

IP地址用于唯一的标识一台网络设备，但并不是每一个IP地址都是可用的，一些特殊的IP地址被用于各种各样的用途，不能用于标识网络设备。

对于主机部分全为“0”的IP地址，称为网络地址，网络地址用来标识一个网段。例如，A类地址1.0.0.0，私有地址10.0.0.0, 192.168.1.0等。

对于主机部分全为“1”的IP地址，称为网段广播地址，广播地址用于标识一个网络的所有主机。例如，10.255.255.255 , 192.168.1.255等，路由器可以在10.0.0.0或者192.168.1.0等网段转发广播包。广播地址用于向本网段的所有节点发送数据包。

对于网络部分为127的IP地址，例如127.0.0.1往往用于环路测试目的。

全“0”的IP地址0.0.0.0代表所有的主机，华为Quidway系列路由器用0.0.0.0地址指定默认路由。

全“1”的IP地址255.255.255.255，也是广播地址，但255.255.255.255代表所有主机，用于向网络的所有节点发送数据包。这样的广播不能被路由器转发。

如上所述，每一个网段会有一些IP地址不能用作主机IP地址。下面让我们来计算一下可用的IP地址。例如B类网段172.16.0.0, 有16个主机位,因此有216个IP地址，去掉一个网络地址172.16.0.0，一个广播地址172.16.255.255不能用作标识主机，那么共有216-2个可用地址。C类网段192.168.1.0，有8个主机位，共有28=256个IP地址，去掉一个网络地址192.168.1.0，一个广播地址192.168.1.255，共有254个可用主机地址。现在，我们可以这样计算每一个网段可用主机地址：假定这个网段的主机部分位数为n，那么可用的主机地址个数为2n-2个。

网络层设备（例如路由器等）使用网络地址来代表本网段内的主机，大大减少了路由器的路由表条目。

子网掩码

这是一个C类地址，前24bits是网络位，后8bits是主机位，这个很容易理解。

我们在前面学过了二进制和十进制之间的转换，那么上图的IP地址和子网掩码的二进制和十进制的对应关系应该很容易看懂。所以再看一下子网掩码比特数中是8+8+8+4=28，这个指的是子网掩码中连续1的个数，这里是28位1。那么最后是子网掩码的另外一种表示方法，/28=255.255.255.240。

如胶片中所示，IP地址和子网掩码都已经知道，那么网络地址就是IP地址的二进制和子网掩码的二进制进行“与”的计算。“与”的计算方法是1&1=1,1&0=0,0&0=0。那么胶片中IP地址和子网掩码的与计算为：

11000000，10101000，00000001，00000111 &

1111111   ，11111111，    11111111， 11110000

 11000000，10101000，00000001，00000000

最后得到的就是网络地址。

主机数的计算是通过子网掩码来计算的，首先我们要看这个子网掩码中最后有多少位是0。如上图，假设最后有Ｎ位为０，那么总的主机数为２n个，可用主机的个数我们要减去全０的网络地址和全１的广播地址，既２n－２个。

这个例子非常明确的讲述了主机数的计算过程。

我们知道A类地址标准的子网掩码255.0.0.0，也就是说24bits的0（主机位）位；B类地址的标准子网掩码为255.255.0.0,也就是说16bits的0（主机位）位；C类地址的标准子网掩码255.255.255.0,也就是说8bits的0（主机位）位。

胶片中的例子是一个C类地址，标准子网掩码有8bits的0（主机位）位，那么计算子网总数的时候就为2的8-4次方，8指的是标准子网掩码的0（主机位）位个数，4为实际主机位个数，进行相减后，就得到了子网位数，既可表示为28-4那么就得到了子网总数A，B类IP地址以此类推。

子网规划举例

在这个例子中，网段地址是一个C类地址：201.222.5.0。假设需要20个子网，其中每个子网5个主机，就要把主机地址的最后一个八位组分成子网部分和主机部分。

子网部分的位数决定了子网的数目。在这个例子中，因为是C类地址，所以子网部分和主机部分总共是8位，因为24<20<25,所以子网部分占有5位，最大可提供30（25 -2）个子网。剩余3位为主机部分。一共有8个（23）值。主机部分全是0的IP地址，是子网网络地址；主机部分全是1的IP地址是本子网的广播地址。这样就剩余6个主机地址。可以满足需要。

每个网段分别为：

201.222.5.0~201.222.5.7

201.222.5.8~201.222.5.15

201.222.5.16~201.222.5.23

.......

201.222.5.232~201.222.5.239

201.222.5.240~201.222.5.247

201.222.5.248~201.222.5.255

固定IP

固定IP：固定IP地址是长期固定分配给一台计算机使用的IP地址，一般是特殊的服务器才拥有固定IP地址。​​​​​​​

动态IP

动态IP：因为IP地址资源非常短缺，通过电话拨号上网或普通宽带上网用户一般不具备固定IP地址，而是由ISP动态分配暂时的一个IP地址。普通人一般不需要去了解动态IP地址，这些都是计算机系统自动完成的。​​​​​​​

IP地址的分配机构

所有的IP地址都由国际组织NIC（Network Information Center）负责统一分配，目前全世界共有三个这样的网络信息中心。

InterNIC：负责美国及其他地区；

ENIC：负责欧洲地区；

APNIC：负责亚太地区。

我国申请IP地址要通过APNIC，APNIC的总部设在日本东京大学。申请时要考虑申请哪一类的IP地址，然后向国内的代理机构提出。

​​​​​​​4,公有地址和私有地址

公有地址（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。

私有地址（Private address）属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。

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