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IP地址详解

IP地址和子网划分学习笔记之《IP地址详解》 (opens new window)

分类的IP地址

概述

IP 地址是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是惟一的32 bit的标识符。

IP 地址现在由因特网名字与号码指派机构ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers)进行分配。

IP地址的编址经历三个历史阶段

  1. 分类的IP地址。 ———— 最基本的编址方法
  2. 子网的划分。 ———— 对最基本的编址方法的改进
  3. 构成超网。 ———— 新的无分类编址方法

分类IP地址

本文只讨论最基本的分类IP地址

所谓“分类的IP地址”就是将IP地址划分为若干个固定类，每一类地址都由俩个固定长度的字段组成。

  • 网络号(net-id)：它标志着主机(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。
  • 主机号(host-id)：一台主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。因此一个IP地址在整个互联网范围内都是唯一的。

IP地址 ::= {<网络号>,<主机号>}

IP地址分类

IP地址分A、B、C、D、E五类，其中A、B、C这三类是比较常用的IP地址，D、E类为特殊地址。

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A类地址

  • A类地址第1字节为网络地址（最高位固定是0），另外3个字节为主机地址。
  • A类地址范围：1.0.0.0 - 126.255.255.255，其中0和127作为特殊地址。
  • A类网络默认子网掩码为255.0.0.0，也可写作/8。
  • A类网络最大主机数量是256×256×256-2=166777214（减去1个主机位为0的网络地址和1个广播地址）。

在计算机网络中，主机ID全部为0的地址为网络地址，而主机ID全部为1的地址为广播地址，这2个地址是不能分配给主机用的。

B类地址

  • B类地址第1字节（最高位固定是10）和第2字节为网络地址，另外2个字节为主机地址。
  • B类地址范围：128.0.0.0 - 191.255.255.255。
  • B类网络默认子网掩码为255.255.0.0，也可写作/16。
  • B类网络最大主机数量256×256-2=6554。

C类地址

  • C类地址第1字节（最高位固定是110）、第2字节和第3个字节，另外1个字节为主机地址。
  • C类地址范围：192.0.0.0 - 223.255.255.255。
  • C类网络默认子网掩码为255.255.255.0，也可写作/24。
  • C类网络最大主机数量256-2=254。

D类地址

  • D类地址不分网络地址和主机地址，它的第1个字节的最高位固定是1110。
  • D类地址用于组播（也称为多播）的地址，无子网掩码。
  • D类地址范围：224.0.0.0 - 239.255.255.255。

E类地址

  • E类地址也不分网络地址和主机地址，它的第1个字节的最高位固定是11110。
  • E类地址范围：240.0.0.0 - 255.255.255.255。

其中240.0.0.0-255.255.255.254作为保留地址，主要用于Internet试验和开发，255.255.255.255作为广播地址。

画出思维导图进行总结：

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保留的特殊IP地址

以下这些特殊IP地址都是不能分配给主机用的地址：

  • 主机ID全为0的地址：特指某个网段，比如：192.168.10.0 255.255.255.0，指192.168.10.0网段。
  • 主机ID全为1的地址：特指该网段的全部主机，比如：192.168.10.255，如果你的计算机发送数据包使用主机ID全是1的IP地址，数据链层地址用广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。
  • 127.0.0.1：是本地环回地址，指本机地址，一般用来测试使用。回送地址(127.x.x.x)是本机回送地址(Loopback Address)，即主机IP堆栈内部的IP地址。
  • 169.254.0.0：169.254.0.0-169.254.255.255实际上是自动私有IP地址。
  • 0.0.0.0：如果计算机的IP地址和网络中的其他计算机地址冲突，使用ipconfig命令看到的就是0.0.0.0，子网掩码也是0.0.0.0。

保留的特殊IP地址思维导图如下：

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公网和私网IP地址

公网IP地址

公有地址分配和管理由Inter NIC（Internet Network Information Center 因特网信息中心）负责。各级ISP使用的公网地址都需要向Inter NIC提出申请，有Inter NIC统一发放，这样就能确保地址块不冲突。

私网IP地址

创建IP寻址方案的人也创建了私网IP地址。这些地址可以被用于私有网络，在Internet没有这些IP地址，Internet上的路由器也没有到私有网络的路由表。

  • A类：10.0.0.0～10.255.255.255 掩码 255.0.0.0，保留了1个A类网络。
  • B类：172.16.0.0～172.31.255.255 掩码 255.255.0.0，保留了16个B类网络。
  • C类：192.168.0.0～192.168.255.255 掩码 255.255.255.0，保留了256个C类网络。

PS：私网地址访问Internet需要做NAT或PAT网络地址转换

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公网和私网IP地址思维导图如下：

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IP地址与MAC地址

IP地址与MAC地址区别

  • 长度不同：IP地址为32位（二进制），MAC地址为48位（十六进制）。
  • 分配依据不同：IP地址的分配是基于网络拓扑，MAC地址的分配是基于制造商。
  • 寻址协议层不同：IP地址应用于OSI第三层（网络层），而MAC地址应用在OSI第二层（数据链路层）。

IP地址与MAC地址的作用和关系

IP和MAC两者之间分工明确，默契合作，完成通信过程。在数据通信时，IP地址专注于网络层，网络层设备（如路由器）根据IP地址，将数据包从一个网络传递转发到另外一个网络上；而MAC地址专注于数据链路层，数据链路层设备（如交换机）根据MAC地址，将一个数据帧从一个节点传送到相同链路的另一个节点上。IP和MAC地址这种映射关系由ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）协议完成，ARP根据目的IP地址，找到中间节点的MAC地址，通过中间节点传送，从而最终到达目的网络。

IP地址和子网掩码

子网掩码计算

有一个C类地址为: 192.9.200.13　其缺省的子网掩码为: 255.255.255.0

IP地址 192.9.200.13， 转换为二进制11000000　00001001　11001000　00001101

子网掩码255.255.255.0，转换为二进制11111111　11111111　11111111　00000000

网络号计算方法： 将两个二进制数做按位与（&）运算后得出的结果即为网络号，即网络号为192.9.200.0

主机号计算方法：将子网掩码取反再与IP地址按位与（&）后得到的结果即为主机号，即主机号为13(或者0.0.0.13)

IPv4与IPv6地址格式

IPv4地址

IPv4地址长32位，采用点分十进制表示，四段八位二进制数。

A类：A类地址范围：1.0.0.0 - 126.255.255.255

IPv6地址

IPv6地址有3种格式：首选格式、压缩表示和内嵌IPv4地址的IPv6地址表示。

首选格式

IPv6的地址长度是128位（bit），将这128位的地址按每16位划分为一个段，将每个段转换成十六进制数字，并用冒号隔开。

2000:0000:0000:0000:0001:2345:6789:abcd

压缩表示

如果一个以冒号十六进制数表示法表示的IPv6地址中，如果几个连续的段值都是0，那么这些0可以简记为::。每个地址中只能有一个::。

2001:DB8:0:0:8:800:200C:417A

可以压缩为：

2001:DB8::8:800:200C:417A

内嵌IPv4地址的IPv6地址表示

在这种表示方法中，IPv6地址的第一部分使用十六进制表示，而IPv4地址部分是十进制格式：

有两种内嵌IPv4地址的IPv6地址表示：

IPv4兼容IPv6地址： 0:0:0:0:0:0192.168.1.2

IPv4映射IPv6地址： 0:0:0:0:0FFFF:192.168.1.2或::FFFF:192.168.1.2

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