如何理解通信網絡的IP地址分配原理

一、網絡模型介紹

在計算機網絡中有著名的OSI七層協(xié)議體系結構，概念清楚，理論完整，但是它既復雜又不實用。TCP/IP體系結構則不同，得到了廣泛的應用。最終結合OSI和TCP/IP的優(yōu)點，采用了一種只有五層協(xié)議的體系結構，本文的講述的IP都是基于五層協(xié)議模型中的網絡層。

二、分類的IP地址

IP地址的表示方法

IP地址就是給英特網上的每個主機（路由器）的每個接口分配一個在全世界范圍內是唯一的32位的標識符。其組成第一個字段是網絡號，第二個字段是主機號。一個主機號在前面的網絡號所指明的網絡范圍內必須是唯一的，所以一個IP地址在整個網絡中都是唯一的。目前分為A、B、C、D、E 五類IP地址。

在A、B、C 三類地址中灰色的部分即為網絡號，網絡號的前三位是類別位，分別是0，10，110。也就是說我們可以憑借這個類別位置來判斷網絡類別。

32位的總長度，由于A、B、C 三類網絡號的長度的不同，導致A、B、C 類地址的主機號字段的字節(jié)數(shù)分別為3、2、1（一個字節(jié)8位）。

D 類地址的網絡號為1110，用于多播（一對多通訊）。

E 類地址的網絡號為1111，保留以后使用。

因此我們一般使用的就是ABC三類網絡地址，IP地址是32位的二進制代碼，為了提高可讀性，把32位的IP地址中的每8位用等效的十進制表示出來（點分十進制），于是我們日常生活中常見的IP地址就出現(xiàn)了。例如：IP地址，128.11.3.31，轉化為二進制為 100000000 00001011 00000011 00011111 ，可以看出類別位為 10，可以判斷為一個B類地址。

三、常用IP地址的指派范圍

1. 網絡號指派范圍

（1） A類地址網絡號占用一個字節(jié)，但是由于有一位是類別位，只有7位可供使用，但是由于規(guī)定，網絡字段全0是個保留字段表示本網絡，而127（01111111）是另外一個保留字段，作為本地軟件的環(huán)回測試。

我們常見的127.0.0.1表示本機，原因也是出自這里。

所以A類地址可以指派的網絡號個數(shù)為（27-2）。

（2） B類網絡地址網絡號有兩個字節(jié)，前兩位為10已經固定，只剩下14位可用，由于這14位無論怎么取值都不會使得網絡號為全0或者全1，單實際上規(guī)定，規(guī)定B類最小網絡地址為128.1.0.0。

因此B類地址可指派的網絡號個數(shù)為（214-1）。

（3） C類地址有3個字節(jié)的網絡字段號，前三位固定110，只有剩下21位可用，同樣C類地址可指派的最小網絡地址也是192.0.1.0。

因此C類地址可指派的網絡號個數(shù)為（221-1）。

2. 主機號指派范圍

由于主機號有規(guī)定，全0的主機號代表IP地址是“本主機”所連接到的單個網絡地址（例，一主機地址為5.6.7.8，則該主機所在的網絡地址為5.0.0.0），而全1則表示“所有的”，即表示該網絡上的所有主機。

A類地址的主機號是由三個字節(jié)，24位組成，所以每一個A類網絡中可分配的主機個數(shù)為（224-2）。

B類地址的主機號是由兩個字節(jié)，16位組成，所以每一個B類網絡中可分配的主機個數(shù)為（216-2）。

C類地址的主機號是由一個字節(jié)，8位組成，所以每一個C類網絡中可分配的主機個數(shù)為（28-2）。

3. 總結IP指派范圍

綜上網絡號和主機號的指派描述可知，IP地址空間共有232個地址。

所有A類地址共有（27-2）??（224-2）個，大約231，占50%;

所有B類地址共有（214-1）??（216-2）個，大約230，占25%;

所有C類地址共有（221-1）??（28-2）個，大約229，占12.5%;

所以可以這樣來表示一個A類IP地址 n.x.y.zn.x.y.z，若1≤n≤1261≤n≤126，0≤x，y，z≤2550≤x，y，z≤255，其中 x，y，zx，y，z不同時為0也不能同時為255.

所以可以這樣來表示一個B類IP地址 n.m.x.yn.m.x.y，若128≤n≤191128≤n≤191，0≤m≤2550≤m≤255，0≤x，y≤2550≤x，y≤255，其中 I. 當n=128n=128時，m≠0m≠0; II. x，yx，y不同時為0也不能同時為255;

所以可以這樣來表示一個C類IP地址 n.m.k.xn.m.k.x，若192≤n≤223192≤n≤223，0≤m，k≤2550≤m，k≤255，1≤x≤2541≤x≤254，其中 當n=192n=192時，k≠0k≠0.

4. IP地址和硬件地址

從層次角度來看，硬件地址是數(shù)據(jù)鏈路層和物理層使用的地址（常稱作MAC地址），而IP地址是網絡層和以上各層使用的地址，是一種邏輯地址。在網絡層我們進行數(shù)據(jù)報文從IP1傳輸?shù)絀P2，無論我們中間經過多少次轉發(fā)，從網絡層來看，源地址始終是IP1，目的地址始終是IP2。但是從數(shù)據(jù)鏈路層來看，顯然就不是這樣了，這些是物理地址，很有可能從源節(jié)點經過多次中間節(jié)點的物理地址的轉變才能到達目的節(jié)點。而IP地址和物理地址的之間的轉化則需要依靠兩個重要的協(xié)議ARP（地址解析協(xié)議），RARP（逆地址解析協(xié)議）。IP地址通過ARP轉化成物理地址，物理地址可以通過RARP轉化成相應的IP地址。

四、子網和超網

簡單的來說就是如何來管理一個IP地址下的多臺主機。

1. 子網

現(xiàn)在假設這樣一個場景，一個數(shù)據(jù)報起目的地址是145.13.3.10（在子網 145.13.3.0中），已經到達路由器R1（145.13.0.0），那么這個路由器怎么將它轉發(fā)到145.13.3.0呢？我們并不知道目的地址是否進行了子網的劃分。這就引出了子網掩碼的概念了，子網掩碼也是32位，由一串1和0組成，子網掩碼中的1對應于IP地址中的網絡號位置+子網網絡號位置，子網掩碼中的0對應與IP地址中現(xiàn)在的主機號位置。我們只要將IP地址和子網掩碼進行“與”運算，如果進行子網的劃分，就立刻得出要找的子網的網絡地址，如果沒有進行子網劃分（有默認的子網掩碼），則直接能夠得出該IP地址的網絡地址出來。

A類地址的默認子網掩碼是255.0.0.0

B類地址的默認子網掩碼是255.255.0.0

C類地址的默認子網掩碼是255.255.255.0

2. 超網

無分類編址CIDR，使用變長的子網掩碼，可以進一步提高IP地址的資源利用率。有兩個特點：

第一，消除了傳統(tǒng)的ABC類地址及劃分子網的概念，CIRD把32位的IP地址劃分成為兩個部分，網絡前綴和剩下的部分，表示方法為，在IP地址后面加上“/”，然后寫上網絡前綴所占位數(shù)。

第二，把網絡前綴相同的IP地址組成一個CIDR地址塊，例如，IP地址 128.14.35.7/20 用二進制表示 100000000 00001110 00100011 00000111，所以我們很容易可以得出這塊地址中最小地址為128.14.32.0，即 100000000 00001110 00100000 00000000，最大地址為128.14.47.255，即 100000000 00001110 00101111 11111111.

為了更加方便進行路由選擇，CIDR使用32位的地址掩碼，1的個數(shù)就是網絡前綴的長度，如上面所舉例中的/20的地址塊的地址掩碼是 11111111 11111111 11110000 00000000因此可以看出，網絡前綴越短，其地址塊所包含的地址就越多，這樣可以根據(jù)實際情況更加有效的分配IPv4的地址空間。