3.3 IP地址综述

 

3.3  IP地址综述

对互联网稍有了解的人就一定听说过IP地址这个专业名词，但究竟什么是IP地址呢？本节就来揭晓。

3.3.1  IP地址的概念及特点

在一个城市中，每个家庭都要有一个唯一的门牌号，这样寄信件时才能准确到达收信人手里。这个门牌号就是我们日常生活中的地址。在计算机网络中，为了信息交流的方便，也给每台计算机都事先分配了唯一的一个标识地址，这个标识地址就是IP（Internet Protocol）地址。现在所用的IP地址是根据IPv4协议规定，每个互联网上的主机和路由器都有一个唯一的IP地址以互相区分和互相联系。IP地址由32位二进制数组成，在Internet范围内是唯一的。

来看一个例子，互联网上某台计算机的IP地址用二进制表示为00001010 00000010 00000000 00000001，显然这样的一串数字是非常不易于记忆的，于是，人们通常使用点分的十进制标记法来表示IP地址。前面所举的IP地址00001010 00000010 00000000 00000001，用点分的十进制标记法可表示为10.2.0.1。其转换方式是，将组成IP地址的32位二进制分成4段，每段8位，每段的范围为0～11111111，中间用小数点隔开，然后将每8位二进制转换成十进制数。IP地址用十进制表示时，每段数字范围为0～255。

综上所述，IP地址具有以下几个特点：

·           Internet的IP地址具有全球唯一性。

·           IP网络中每台主机都必须有一个唯一的IP地址。

·           IP地址共32位，4字节，常用点分的十进制标记法。

·           IP地址是一个逻辑地址。

3.3.2  IP地址的分类

前面讲到互联网中的每台计算机都是通过其自身的IP地址而被唯一标识的。而互联网是一个庞大的网间网，每个网络也有自己的标识符。电话号码系统中，每个国家、每个省市都有特定的号码，以此来区分每台电话所属不同的地区。在计算机网络中，把计算机的IP地址也分成两部分，即网络标识（或称为网络ID）和主机标识（或称主机ID或节点ID）。网络标识是指同一个物理网络上的所有主机所用的同一个网络标识；即将IP地址的4字节划分为两部分，用以标明具体的网络段的部分就是网络标识；另一部分用以标明具体的节点，即主机标识，也就是说，某个网络中特定的计算机号码。对于同一网络号来说，主机号是唯一的，也就是说，在同一网络中绝不能存在两个相同的主机号。例如，某局域网服务器的IP地址为168.196.155.6，对于该IP地址，可以把它分成网络标识和主机标识两部分，这样上述的IP地址就可以写成以下形式。

网络标识：168.196.155.0

主机标识：            6

合起来写：168.196.155.6

每个网络的大小不同，为了能够有效地利用有限的地址资源，人们将IP地址划分为A～E 5类，其中常用的是A、B和C类。

1．A类IP地址

A类网络地址数量较少，用于主机数达1千多万台的超大型网络。A类IP地址是指在IP地址的4段号码中，第1段号码为网络号码，剩下的3段号码为本地计算机的号码，如图3-7所示。如果用二进制表示IP地址的话，A类IP地址就由1字节的网络地址和3字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”，接下来的7位是网络号，后面的24位都是主机号。也就是说，A类IP地址中网络标识的长度为7位，主机标识的长度为24位。

图3-7  A类IP地址示意图

A类地址允许27个网络，每个网络可以容纳16 387 064个主机。A类地址第1个字节的十进制范围是0～127。但是因为网络号127被保留用做回路及诊断地址，所以网络号不能用127。由于网络号为全0和全1时分别用来作为本网地址和广播地址，因此也不可用。所以A类地址的实际可用网络号为1～126。

2．B类IP地址

B类网络地址适用于中等规模的网络，每个网络所能容纳的计算机数为6万多台。B类IP地址是指在IP地址的4段号码中，前2段号码为网络号码，剩下的2段号码为本地计算机的号码，如图3-8所示。如果用二进制表示IP地址的话，B类IP地址就由2字节的网络地址和2字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”，接下来的14位是网络号，后面的16位是主机号。也就是说，B类IP地址中网络的标识长度为14位，主机标识的长度为16位。

图3-8  B类IP地址示意图

B类地址允许16 256个网络，每个网络可以容纳64 516个主机。B类地址第1个字节的十进制范围是128～191。

3．C类IP地址

C类网络地址数量较多，适用于小规模的局域网络，每个网络最多只能包含254台计算机。C类IP地址是指在IP地址的4段号码中，前3段号码为网络号码，剩下的一段号码为本地计算机的号码，如图3-9所示。如果用二进制表示IP地址的话，C类IP地址就由3字节的网络地址和1字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”，接下来的21位是网络号，后面的8位是主机号。也就是说，C类IP地址中网络的标识长度为21位，主机标识的长度为8位。

图3-9  C类IP地址示意图

C类地址允许2 054 512个网络，每个网络可以容纳254个主机。C类地址第1个字节的十进制范围是192～223。

A、B、C类地址的特征如表3-1所示。

表3-1  A、B、C类IP地址特征

A、B、C类地址中还有一部分被保留专门用于各类像行政网、企业网等专有网络，A、B、C类IP地址中保留的地址如表3-2所示。

表3-2  A、B、C类IP地址中保留的地址

4．D类IP地址

D类网络地址用于多路广播组用户。在这些组中可以有一台或多台主机，也可以没有主机。D类IP地址的第1个字节以“1110”开始，第1个字节的数字范围为224～239，是多点播送地址，用于多目的地信息的传输和备用。全“0”地址（0.0.0.0）对应于当前主机，全“1”的IP地址（255.255.255.255）是当前子网的广播地址。

5．E类IP地址

E类地址保留，仅作为Internet的实验和开发之用。E类IP地址以“11110”开始，第1个字节的数字范围为240～254。

3.3.3  IP的寻址规则

1．网络寻址规则

网络寻址必须遵守以下规则。

·           网络地址必须唯一。

·           网络标识不能以数字127开头。在A类地址中，数字127保留给内部回送函数。

·           网络标识的第1个字节不能为255，数字255作为广播地址。

·           网络标识的第1个字节不能为“0”，“0”表示该地址是本地主机，不能传送。

2．主机寻址规则

主机寻址应遵守以下规则。

·           主机标识在同一网络内必须是唯一的。

·           主机标识的各个位不能都为“1”，如果所有位都为“1”，则该机地址是广播地址，而非主机的地址。

·           主机标识的各个位不能都为“0”，如果各个位都为“0”，则表示“只有这个网络”，而这个网络上没有任何主机。

3.3.4  局域网中的子网划分

随着Internet规模的急剧增长，对IP地址的需求也相应激增。随之而来的问题是IP地址资源的严重匮乏、路由表规模的急速增长。为了解决这些问题，人们想出了一个解决方法，即从主机号部分拿出几位作为子网号。这种在原来IP地址结构的基础上增加一级结构的方法称为子网划分。需要注意的是，进行局域网子网划分的前提是网络规模较小并且IP地址空间没有全部利用。

1．什么是子网掩码

进行子网划分后，采用子网掩码（Subnet Mask）来分离网络号和主机号。子网掩码也称为子网屏蔽，是一个32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上还是在远程网上。

划分网络子网的方式为借位，即从主机位最高位开始借位变为新的子网位，所剩余的部分则仍为主机位。这样IP子网掩码结构就被分为3部分，即网络位、子网位和主机位，如图3-10所示。

图3-10  IP子网掩码结构

子网掩码是一个32位地址，网络号（包括子网号）部分全为“1”，主机号部分全为“0”。默认的子网掩码，如表3-3所示。

表3-3  默认的子网掩码

2．确定子网掩码数

用于子网掩码的位数取决于可能的子网数和每个子网的主机数。在定义子网掩码前，必须弄清楚本来使用的子网数和主机数。

定义子网掩码的步骤如下。

（1）确定哪些组地址归我们使用。比如申请到的网络号为“210.73.a.b”，该网络地址为C类IP地址，网络标识为“210.73”，主机标识为“a.b”。

（2）根据现在所需的子网数，以及将来可能扩充到的子网数，用宿主机的一些位来定义子网掩码。比如现在需要12个子网，将来可能需要16个。用第3个字节的前4位确定子网掩码。前4位都置为“1”，即第3个字节为“11110000”，这个数暂且称做新的二进制子网掩码。

（3）把对应初始网络的各个位都置为“1”，即前2个字节都置为“1”，第4个字节都置为“0”，则子网掩码的间断二进制形式为：“11111111.11111111.11110000.00000000”。

（4）把这个数转化为间断十进制形式为：“255.255.240.0”，这个数即为该网络的子网掩码。

3．子网掩码的标注

子网掩码的标注有无子网的标注法和有子网的标注法两种方法。

无子网的标注法就是对无子网的IP地址，可写成主机号为0的掩码。例如，IP地址168.196.155.6，掩码为255.255.255.0，也可以默认掩码，只写IP地址。

有子网的标注法就是当有子网时，一定要二者配对出现。下面以C类IP地址为例说明子网掩码的标注。IP地址中的前3个字节表示网络号，后一个字节既表示子网号，又表示主机号，还说明两个IP地址是否属于一个网段。如果属于同一网络区间，这两个地址间的信息交换就不通过路由器。如果不属同一网络区间，也就是子网号不同，两个地址的信息交换就要通过路由器进行。例如，对于IP地址为210.73.140.5的主机来说，其主机标识为00000101，对于IP地址为210.73.140.16的主机来说，它的主机标识为00010000。以上两个主机标识的前3位全是000，说明这两个IP地址在同一个网络区域中。又如，10.73.60.1的主机标识为00000001，210.73.60.252的主机标识为11111100，这两个主机标识的前3位000与111不同，说明两者在不同的网络区域，要交换信息需要通过路由器。其子网上主机号各为1和252。

子网掩码的功能是说明有子网和有几个子网，但子网数只能表示为一个范围，不能确定具体几个子网，掩码不说明具体子网号，有子网的掩码格式（对C类地址）为主机标识前几位为子网号，后面不写主机，全写0。

通过修改子网掩码可以将一个大的网段划分为若干个小的子网，这样就可以使每个网段中的IP地址都能够得到充分地利用。

4．IP地址的分配

IP地址的分配是分级进行的，亚太地区国家的IP地址分配由APNIC管理。CNNIC是我国最高级别的IP地址分配机构。现在的IP地址分配是按照20世纪70年代制定的IPv4 协议进行的，随着近年来全球网络的迅猛发展，IPv4 协议已经不能满足需要了。于是，在20世纪90年代初，有关专家提出了用IPv6代替IPv4 的构想。我国在2005年底建成一个覆盖全国的IPv6网络，已成为世界上最大的IPv6网络之一。在未来的几年内，我国将成为以IPv6为基础的下一代网络领域的领先国家。

在局域网中的IP地址分配方式有静态分配方式和动态分配方式两种。

静态分配方式即为局域网上所有的主机手工分配一个静态的IP地址。在实际工作中要注意，手工IP地址分配完毕后，应记录下局域网上所有主机的主机名和IP地址，以便日后扩展网络。

动态分配方式是通过动态主机配置程序（Dynamic Host Configuration Program，DHCP）的服务器或主机完成的。当计算机登录到局域网时，DHCP服务器就自动为主机分配一个唯一的IP地址。在动态分配IP地址的网络系统中，不需要手工分配主机名和域名，但是需要分配网络和广播地址。