TCP/IP(三)——IP地址及其分类

IP地址及其表示方法
IP地址分类

IP地址及其表示方法

IP地址是给连接到互联网上的每一台主机（或路由器）的每一个接口，分配一个在全世界范围内是唯一的32位的标识符。IP 地址现在由互联网名字和数字分配机构ICANN（Internet Corporation for Assigned Names and Numbers）进行分配。

IPv4地址通常采用点分四组或点分十进制表示法表示。把32位的IP地址中的每隔8位插入一个空格，为了便于书写和记忆，常用其等效的十进制数字表示，并在每段数字之间加上一个小数点。

点分十进制表示法

在IPv6 中，地址的长度是128 位，是1Pv4 地址长度的4倍。IPv6 地址的传统表示方法是采用称为块或字段的四个十六进制数，这些被称为块或字段的数由冒号分隔。例如，一个包含8个块的 IPv6 地址可写为 5f05:2000:80ad:5800:0058:0800:2023:1d71。以下是一些已取得共识的、已被标准化[RFC4291]的IPv6地址简化表示法：

一个块中前导的零不必书写。在前面的例子中，地址可写为 5f05:2000:80ad:5800:58:800:2023:1d71。
全零的块可以省略，并用符号::代替。例如，IPv6地址0:0:0:0:0:0:0:1可简写为::1。同样，地址2001:0db8:0:0:0:0:0:2可简写为2001:db8::2。为了避免歧义，一个IPv6地址中符号::只能使用一次。
在IPv6格式中嵌人IPv4 地址可使用混合符号形式，紧接着 IPv4 部分的地址块的值为ffff，地址的其余部分使用点分四组格式。例如，IPv6 地址::ffff:10.0.0.1可表示 IPv4 地址10.0.0.1。它被称为 IPv4 映射的 IPv6 地址。
IPv6 地址的低32 位通常采用点分四组表示法。因此，IPv6 地址::0102:f001相当于地址::1.2.240.1。它被称为IPv4 兼容的 IPv6 地址。需要注意，IPv4 兼容地址与 IPv4 映射地址不同；它们只是在能用类似 IPv4 地址的方式书写或由软件处理方面给人以兼容的感觉。这种地址最初用于 IPv4 和 IPv6 之间的过渡计划，但现在不再需要［RFC4291］。

在某些情况下（例如表示一个包含地址的 URL时），IPv6地址中的冒号分隔符可能与其他分隔符混淆，例如IP地址和端口号之间使用的冒号。在这种情况下，用括号字符 [ 和 ] 包围IPv6 地址。例如，URLhttp://[2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344]:443/是指 IPv6 主机 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344中的端口号 443 使用 HTTP、TCP和 IPv6 协议。

［RFC4291］提供的灵活性造成了不必要的混淆，这是因为能用多种方式表示相同的 IPv6地址。为了弥补这种情况，［RFC5952］制定了一些规则，以缩小选择范围，同时与［RFC4291］保持兼容。这些规则如下：

前导的零必须压缩（例如2001:0db8::0022变成2001:db8::22）。
::只能用于影响最大的地方（压缩最多的零），但并不是针对16位的块。如果多个块中包含等长度的零，顺序靠前的块将被替换为::。
a~f的十六进制数字应该用小写表示。

IP地址分类

32 位的IP地址采用两级结构，由两个字段组成。第一个字段是网络号，它标志主机（或路由器）所连接到的网络。一个网络号在整个互联网范围内必须是唯一的。第二个字段是主机号，它标志该主机（对路由器来说，就是标志该路由器）。一个主机号在所连接的网络（即前面的网络号所指明的网络）中必须是唯一的。由此可见，一个 IP 地址在整个互联网范围内是唯一的。因此，IP 地址可以记为：

IP 地 址 ::= {< 网 络 号 >, < 主 机 号 >}

IP地址中网络号和主机号的具体规定是：IP地址中的前 $n$ 位是主机所连接的网络号，而IP地址中后面的 $(32 - n)$ 位是主机号。

IP地址中的网络号和主机号字段

在互联网发展早期采用的是分类的IP 地址。分类的方法如图下图所示。分类的方法非常简单。这里A类（n=8）、B类（n=16）和C类（n=24）地址都是单播地址（一对一通信），是最常用的。D类是多播地址（一对多通信），而E类是保留地址。

IP地址分类

32 位的 IP 地址空间共有 $2^{32}$ （即 4294967296，接近 43 亿）个地址。A类地址空间共有 $2^{31}$ 个地址，占整个IP 地址空间的50%。B 类地址空间共有 $2^{30}$ 个地址，占整个 IP 地址空间的 25%。整个C 类地址空间共有 $2^{29}$ 个地址，占整个 IP 地址的12.5%。D 类和 E 类地址各占整个 IP 地址的 6.25%。

类	地址范围	高序位	用途	百分比	网络数	主机数
A	0.0.0.0~127.255.255.255	0	单播/特殊	1/2	128	16777216
B	128.0.0.0~191.255.255.255	10	单播/特殊	1/4	16384	65536
C	192.0.0.0~223.255.255.255	110	单播/特殊	1/8	2097152	256
D	224.0.0.0~239.255.255.255	1110	组播	1/16	/	/
E	240.0.0.0~255.255.255.255	1111	保留	1/16	/	/

A 类地址的网络号字段占 1 个字节，只有7位可供使用（该字段的第一位已固定为0）。但要注意，第一，网络号为全0的IP地址有特殊的用途，它表示“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）本主机的进程之间的通信之用。若主机发送一个目的地址为环回地址（例如127.0.0.1）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，而不会把数据报发送到任何网络。因此A 类地址可指派的网络号是126个（即 $2^{7} - 2$ ）。

A 类地址的主机号占3个字节。但全0和全1的主机号一般不指派。全0的主机号表示该IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址（例如，若主机的 IP 地址为5.6.7.8，则该主机所在的网络的网络号是5，而该网络的网络地址就是 5.0.0.0）。全1表示 “所有的”，因此全1的主机号字段表示该网络上的所有主机。因此每一个 A 类网络中的最大主机数是 $2^{24} - 2$ ，即16777214。

B类地址的网络号字段有2个字节。因此B类地址可指派的网络数为 $2^{14}$ ，即16384.B类地址的每一个网络上的最大主机数是 $2^{16} - 2$ ，即65534.这里需要减2是因为要扣除全0和全1的主机号。

C类地址有3个字节的网络号字段。因此C类地址可指派的网络总数是 $2^{21}$ ，即2097152.每一个C类地址的最大主机数是 $2^{8} - 2$ ，即254。

下表给出了一般不指派的特殊IP地址：

网络号	主机号	源地址使用	目的地址使用	代表的意思
0	0	可以	不可	在本网络上的本主机
0	X	可以	不可	在本网络上主机号为X的主机
全1	全1	不可	可以	只在本网络上进行广播（个路由器均不转发）
Y	全1	不可	可以	对网络号为Y的网络上的所有主机进行广播
127	非全0或全1的任何数	可以	可以	用于本地软件环回测试