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[系统运维]【计算机网络】IP地址

IP地址

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一、 IP地址概述

1.1 IP地址定义

IP地址是互联网中使用的网络层地址，用来标识一台主机。严格来说，IP地址用来标识主机上的网络接口。
在TCP/IP体系结构中，IP地址是一个最基本的概念。连接到互联网的每台设备至少具有一个IP地址。

1.2 IP地址的表示

点分十进制记法：
把32位的IP地址分为4组，每组8位，然后将每组数字用十进制表示，并且在这些数字之间加上一个点，就称为IP地址的点分十进制记法。
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1.3 IP地址的组成

分层结构：
IP地址采用了分层(hierarchical)结构，即IP地址由对应互联网某种层次结构的几个部分构成。

网络部分和主机部分：

网络部分：
IP地址的网络部分指明主机连接到哪个网络，所有连到同一网络上的主机，其IP地址的网络部分相同。路由器可以仅根据IP地址的网络部分来转发分组，而无需考虑IP地址的主机部分。
主机部分：
IP地址的主机部分唯一标识了特定网络中的一台主机。

二、编址方案

IP地址的编址方案经历了三个历史阶段：

分类编址：将IP地址分为A、B、C、D、E五类，是最基本的编址方案，在1981年通过的RFC790中就包含了A、B、C类地址的相关规定。
子网划分：是在分类编址的基础上所作的改进，1985年通过的RFC950中包含了相关的规定。
无分类编址：基于无类域间路由(Classless Inter-Domain Routing，CIDR)的编址方案，是目前正在使用的编址方案。在1993年通过的RFC1519中提出后，很快就得到推广应用。2006年，RFC1519被RFC4632替换

2.1 分类编址

2.1.1 分类的IP地址

在分类编址方案中，采用两级编址方案，每个单播IP地址都由两个字段组成：
IP地址：= {< 网络号 >, < 主机号 >}
由于不同网络中可能包含不同数量的主机，一种简单的划分方法是依据预计的主机数量，分类编址方案中将不同大小的IP地址空间分配给不同的网络。

2.1.2 五类IP地址

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IP地址空间被划分为五类，命名为A、B、 C、D和E。

A、B、C类地址空间用于单播地址
D类地址用于多播地址
E类地址为保留地址

2.1.3 A、B、C类地址

特殊地址：
A类、B类和C类地址属于单播地址，由网络号和主机号两部分组成。在单播地址空间中，有部分地址被用作特殊用途，不作为单播地址使用。

网络号	主机号	作为源地址	作为目的地址	用途说明
0	0	可以	不可以	本网络上的本主机
0	host-number	可以	不可以	本网络上的指定主机
全1	全1	不可以	可以	本网络上的广播
network-number	全1	不可以	可以	指定网络上的广播
127	任意	可以	可以	本地环回测试

特殊地址中，主机号部分全为1的地址都称为广播地址。
- 网络号和主机号全1的地址用于本网络上的广播，也称为受限广播，其传播范围仅限发送方所属网络，路由器不转发受限广播。
- 网络号为指定网络，主机号全1的地址用于向指定网络发送广播数据报，这种广播也称为定向广播。
最初互联网建议支持路由器转发定向广播，而且默认启用。但RFC2644变更了该策略，要求路由器默认禁止转发定向广播。
本地环回测试地址用于本主机的进程间通信使用，通常仅使用127.0.0.1。

可指派地址：
排除以上特殊地址后，剩余的地址属于A、B、C类网络的可指派地址。

	地址空间	可指派的网络数	每个网络可指派的主机数
A类	$2^{31}$	$2^7 -2 = 126$	$2^{24} -2 = 16777214$
B类	$2^{30}$	$2^{14} = 16384$	$2^{16} -2 = 65534$
C类	$2^{29}$	$2^{21} = 2097152$	$2^8 - 2 = 254$

2.1.4 路由器和主机的IP地址

同一个网络上的主机，其IP地址中的网络号都相同；
不同网络上的主机，其IP地址中的网络号不同。
路由器总是具有多个IP地址，路由器的每一个接口，其IP地址的网络号都不同。

2.2 子网划分

2.2.1 子网划分的概念

当一些较大的单位或组织内部组建了多个局域网，在IP地址的两级编址方案下，为这些局域网分配IP地址有困难。
RFC950提出了子网划分，来解决这样的问题。子网划分将IP地址从两级编址方案扩展为三级编址方案，包括两种方式： 定长子网划分 、变长子网划分。

2.2.2 子网掩码

划分子网后，网络内部的路由器必须能够区分发往不同子网的分组。
表示方法：

0-1表示
子网掩码中的1对应于IP地址中的网络号和子网号，而子网掩码中的0对应于于子网划分后的IP地址中的主机号。
点分十进制记法
子网掩码可以采用点分十进制记法表示，也可以用掩码中1的位数表示，称为前缀长度。

将IP地址与其子网掩码做按位与操作(AND)，即可得到相应的网络地址

2.2.3 定长子网划分

子网划分的方法是从IP地址的主机号部分借用若干位作为子网号，这样，两级IP地址在本单位内部就变为三级IP地址。
IP地址：= {< 网络号 >, < 子网号 >, < 主机号 >}
互联网上的路由器仍然将网络号看作IP地址的网络部分；单位的边界路由器和内部路由器将网络号+子网号记作网络地址，将网络地址看作IP地址的网络部分。 路由器根据IP地址的网络部分来转发分组。

2.2.4 变长子网划分

如果将一个网络划分为多个大小不同的子网，以适应多个子网具有不同数量主机的需求。这种子网划分方式称为变长子网划分。
在变长子网划分中，各子网的子网号部分长度不同，因此其子网掩码的前缀长度不同，这种子网掩码称为变长子网掩码VLSM。

2.3 无分类编址

2.3.1 无分类编址网络前缀

IETF在VLSM的基础上，研究出了无分类编址方案，它的正式名字是无分类域间路由选择(Classless Inter-Domain Routing，CIDR)。
CIDR消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念，可以更加有效地分配IPv4地址空间。
CIDR将IP地址从三级编址改回两级编址，但这已经是无分类的两级编址。

IP地址：= {< 网络前缀 >, < 主机号 >}
其中，网络部分是网络前缀；主机部分是主机号。
路由器根据IP地址的网络部分来转发分组。

2.3.2 CIDR地址块与掩码

CIDR地址块：
网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个CIDR地址块。通常用地址块中的最小地址和网络前缀的位数标识地址块。

CIDR采用斜线记法，也称为CIDR记法，即在IP地址后面加上斜线"/"，然后写上网络前缀所占的位数。网络前缀消除了一个IP地址中网络和主机号的预定义分隔，使更细粒度的IP 地址分配为可能。

CIDR掩码：
在CIDR中，使用地址掩码从IP地址中获取网络前缀。地址掩码由一串1和一串0组成，而1的个数就是网络前缀的长度。地址掩码也称为CIDR掩码，或简称为掩码。

2.3.3 路由聚合

路由聚合的定义：
路由聚合是指将相邻CIDR地址块的网络前缀合并成一个较短的网络前缀，聚合后的一条路由信息可以覆盖更多地址空间。用来减少路由器中路由表的项目数，改善路由器的性能。
由于有些聚合后的CIDR地址块包含了多个C类地址，路由聚合也被称为构成超网。

路由聚合的条件：
（1）两个地址块相邻且大小一致
（2）两个地址块的前n位相同
（3）聚合前后，CIDR地址块包含的IP地址相同
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三、特殊用途的IP地址

特殊用途IP地址发布在IANA的网站上. 常见的特殊用途地址包括： ? 专用网络地址 ? 链路本地地址 ? 运营商级NAT共享地址 ? 用于文档的测试网络地址 ? 环回测试地址 ? 受限广播地址

(1)专用网络地址
专用网是指企业或机构内部专用的网络，也称为私有网络。
专用网络内的IP地址不需要向ICANN申请，RFC1918和RFC6890规定了三块IP地址空间作为专用网络地址，它们也称为专有地址，仅用于专用网络内部的主机和路由器之间的通信。
10.0.0.0~10.255.255.255(10.0.0.0/8)
172.16.0.0~172.31.255.255(172.16.0.0/12)
192.168.0.0~192.168.255.255(192.168.0.0/16)

在专用网络内分配IP地址，只需要保证在专用网络内唯一即可。
当专用网络内的主机需要和互联网上的主机通信时，需要利用网络地址转换 NAT。

(2)链路本地地址
链路本地地址仅用千同一个物理网络上的、都配置了链路本地地址的主机之间的通信。

为主机配詈IP地址，可以采用手动方式或自动方式。手动配詈的方式称为静态IP地址配置，自动配詈方式利用动态主机配置协议 DHCP进行配詈。在选择自动配詈IP地址后，如果主机获取IP地址失败，则操作系统会自动分配一个链路本地地址(Link-Local address)给主机。

(3)运营商级NAT共享地址
为了满足新用户接入互联网的需求，RFC6598规定了一个/10地址块：100.64.0.0/10 ，用作运营商级NAT(Carrier-Grade NAT，CGN)共享地址，记作CGN地址。
CGN地址只能用千ISP的内部网络，每个ISP都可以使用CGN地址。

用户通过ISP访问互联网需要经过两次NAT:

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(4)用于文档的测试网络地址

在各种技术规范或者技术文档中，经常需要使用某些网络示例。为了避免使用已分配给他人的地址而引起冲突的可能，RFC5737保留了3个地址块，专用于在文档中做测试网络地址。
TEST-NET-1：192.0.2.0~192.0.2.255(192.0.2.0/24)；
TEST-NET-2：198.51.100.0~198.51.255(198.51.100.0/24)；
TEST-NET-3：203.0.113.0~203.0.113.255(203.0.113.0/24)。
用于文档的测试网络地址也不会出现在公共互联网中

(5)其它特殊用途地址
环回测试地址：127.0.0.0/8
受限网络广播地址 255.255.255.255/32
本网络上的主机地址： 0.0.0.0/8