IP地址分类-《计算机网络》

在TCP／IP体系中，IP地址是一个最基本的概念，一定要把它弄清楚。有关IP最重要的文档就是互联网的正式标准RFC791。

1.IP地址及其表示方法

整个互联网就是一个单一的、抽象的网络。IP地址就是给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唯一的32位的标识符。IP地址的结构使人们可以在互联网上很方便地进行寻址。IP地址现在由互联网名字和数字分配机构（Internet Corporation for Assigned Names and Numbers，ICANN）进行分配。

IP地址的编址方法共经过了3个历史阶段：

（1）分类的IP地址：这是最基本的编址方法，1981年就通过了相应的标准协议。

（2）子网的划分：这是对最基本的编址方法的改进，其标准RFC950在1985年通过。

（3）构成超网：这是比较新的无分类编址方法，在1993年提出后，很快就得到推广应用。

所谓“分类的IP地址”，就是将IP地址划分为若干个固定类，每类地址都由两个固定长度的字段组成。其中，第一个字段是网络号（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。第二个字段是主机号（host-id），它是该主机（或路由器）区别于其他计算机的标志。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。由此可见，一个IP地址在整个互联网范围内是唯一的。

这种两级的IP地址可以记为

式中，符号“：：＝”表示“定义为”。

图4-8给出了各种IP地址的网络号字段和主机号字段，这里A类、B类和C类地址都是单播地址（一对一通信），是最常用的。从图4-8可以看出：

（1）A类、B类和C类地址的网络号字段（在图中这个字段是灰色的）分别为1个、2个和3个字节长，而在网络号字段的最前面有1～3位的类别位，其数值分别规定为0、10和110。

（2）A类、B类和C类地址的主机号字段分别为3个、2个和1个字节长。

（3）D类地址（前4位是1110，用于多点播送）。

图4-8　IP地址中的网络号字段和主机号字段

（4）E类地址（前4位是1111），保留为以后用。

这里要指出，由于近年来已经广泛使用无分类IP地址进行路由选择，A类、B类和C类地址的区分已成为历史［RFC 1812］，但由于很多文献和资料都还使用传统的分类的IP地址，而且从概念的演进上更清晰，因此这里还要从分类的IP地址讲起。

从IP地址的结构来看，IP地址并不仅仅指明一台主机，而且还指明了主机所连接到的网络。把IP地址划分为A类、B类、C类3个类别，当初是这样考虑的。各种网络的差异很大，有的网络拥有很多主机，而有的网络上的主机则很少。把IP地址划分为A类、B类和C类是为了更好地满足不同用户的要求。当某个单位申请到一个IP地址时，实际上是获得了具有同样网络号的一块地址。其中具体的各台主机号则由该单位自行分配，只要做到在该单位管辖的范围内无重复的主机号即可。

对主机或路由器来说，IP地址都是32位的二进制代码。为了提高可读性，人们常常把32位的IP地址中的每8位插入一个空格（但在机器中并没有这样的空格）。为了便于书写，可用其等效的十进制数字表示，并且在这些数字之间加上一个点。这就叫作点分十进制记法（Dotted Decimal Notation）。图4-9所示是一个B类IP地址的表示方法。显然，202.97.224.68比10000000 00001011 00000011 00011111书写起来要方便得多。(www.xing528.com)

图4-9　采用点分十进制记法能够提高可读性

2.常用的3种类别的IP地址

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），但可指派的网络号是126个（即27-2）。减2的原因是：第一，IP地址中的全0表示“这个”（this）。网络号字段为全0的IP地址是个保留地址，意思是“本网络”。第二，网络号为127（即01111111），用于本地软件环回测试（Loopback Test）本主机的进程之间的通信。若主机发送一个目的地址为环回地址（如127.00.1）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。目的地址为环回地址的IP数据报永远不会出现在任何网络上，因为网络号为127的地址根本不是一个网络地址。A类地址的主机号占3个字节，因此每一个A类网络中的最大主机数是224-2，即16 777 214。这里减2的原因是：全0的主机号字段表示该IP地址是“本主机”所连接到的单个网络地址（例如，一主机的IP地址为2.3.4.5，则该主机所在的网络地址就是2.0.0.0），而全1表示“所有的”（all），因此全1的主机号字段表示该网络上的所有主机。IP地址空间共有232（即4 294 967 296）个地址。整个A类地址空间共有231个地址，占整个IP地址空间的50%。

B类地址的网络号字段有2个字节，但前面两位（10）已经固定了，只剩下14位可以进行分配。因为网络号字段后面的14位无论怎样取值也不可能出现使整个2字节的网络号字段成为全0或全1，因此这里不存在网络总数减2的问题。但实际上，B类网络地址128.0.0.0是不指派的，而可以指派的B类最小网络地址是128.1.0.0，因此B类地址可指派的网络数为214-1，即16 383。B类地址的每一个网络上的最大主机数是216-2，即65 534。这里需要减2是因为要扣除全0和全1的主机号。整个B类地址空间共约有230个地址，占整个IP地址空间的25%。

C类地址有3个字节的网络号字段，最前面的3位是（110），还有21位可以进行分配。C类网络地址192.0.0.0也是不指派的，可以指派的C类最小网络地址是192.0.1.0［COME06］，因此C类地址可指派的网络总数是221-1，即2 097 151。每个C类地址的最大主机数是28-2，即254。整个C类地址空间共约有229个地址，占整个IP地址的12.5%。这样就可得出表4-2所示的IP地址的指派范围。表4-3给出了一般不使用的特殊IP地址，其只能在特定的情况下使用。

表4-2　IP地址的指派范围

表4-3　一般不使用的特殊IP地址

IP地址具有以下一些重要特点：

（1）每一个IP地址都由网络号和主机号两部分组成。从这个意义上说，IP地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：第一，IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号（第一级），而剩下的主机号（第二级）则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了IP地址的管理。第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而缩短了路由表所占的存储空间以及查找路由表的时间。

（2）实际上IP地址是标志一台主机（或路由器）和一条链路的接口。当一台主机同时连接两个网络号时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号必须是不同的。这种主机称为多归属主机（Multihomed Host）。由于一个路由器至少应当连接到两个网络，因此一个路由器至少应当有两个不同的IP地址。正如一个建筑正好处在学海街和中原路的交叉口上，那么这个建筑就可以拥有两个门牌号码，如学海街1239号和中原路38号。

（3）按照互联网的观点，一个网络是指具有相同网络号net-id的主机的集合，因此，用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因为这些局域网都具有同样的网络号。具有不同网络号的局域网必须使用路由器进行互连。

（4）在IP地址中，所有分配到网络号的网络（不管是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网）都是平等的。所谓平等，是指互联网同等对待每一个IP地址。

图4-10画出了3个局域网（LAN1、LAN2和LAN3）通过3个路由器（R1、R2和R3）互连起来所构成的一个互联网（此互联网用虚线圆角方框表示）。其中局域网LAN2是由两个网段通过网桥B互连的。

图4-10　互联网中的IP地址

应当注意，在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的。图中所示的网络号就是IP地址中的网络号字段的值，这也是文献中常见的一种表示方法。另一种表示方法是用主机号为全0的网络IP地址。用网桥（它只在链路层工作）互连的网段仍然是一个局域网，只能有一个网络号。路由器总是具有两个或两个以上的IP地址，即路由器的每一个接口都有一个不同网络号的IP地址。当两个路由器直接相连时（例如通过一条租用线路），在连线两端的接口处，可以分配也可以不分配IP地址。如分配了IP地址，则这一段连线就构成了一种只包含段线路的特殊“网络”（如图中的N1、N2和N3）。之所以叫作“网络”，是因为它有IP地址。但为了节省IP地址资源，对于这种仅由一段连线构成的特殊“网络”，现在也常常不分配IP地址。通常把这样的特殊网络叫作无编号网络（Unnumbered Network）或无名网络（Anonymous Network）。