当前位置：首页 > news >正文

【TCP/IP】3. IP 地址

news 2025/7/10 13:09:36

3. IP 地址

3. IP 地址
- 3.1 IP 地址概述
- 3.2 分类 IP 地址
- 3.3 特殊 IP 地址
- 3.4 私有网络地址
- 3.5 IP 地址配置
- 3.6 子网及子网掩码
- 3.7 超网
- 3.8 无类地址（CIDR）
- 本章要点

3. IP 地址

3.1 IP 地址概述

物理地址：
- 定义：物理网络中结点的机器可识别地址，又称硬件地址、MAC 地址或第二层地址。
- 特点：不一致性（不同物理网络编址方式不同）、不唯一性（不同网络中地址可能重复）。
IP 地址的作用：
因特网在网络层（IP 层）通过 IP 地址实现地址统一，屏蔽物理地址差异，确保全球唯一性和格式一致性。
IP 地址结构：
- 层次化结构：由网络号和主机号组成，表达式为 IP-address ::= {<Network-number>, <Host-number>}。
- 本质：标识主机的网络连接，主机更换网络时需修改 IP 地址。
IPv4 地址特性：
- 长度：32 比特，地址空间为 2³²（约 42.9 亿个）。
- 表示方法：
  - 点分十进制（如 202.119.84.120，最常用）；
  - 二进制（如 11001010 01110111 01010100 01111000）；
  - 十六进制（如 0XCA775478，较少使用）。

3.2 分类 IP 地址

传统 IP 地址按类别划分，共 5 类（A、B、C、D、E），核心差异在于网络号与主机号的位数分配。

类别	首位特征	网络号位数	主机号位数	第一个字节范围	可用网络数	每个网络最大主机数	用途
A 类	最高位为 0	8 比特（1 字节）	24 比特（3 字节）	0~127	126（排除 0 和 127）	2²⁴-2=1677214	大型网络
B 类	最高两位为 10	16 比特（2 字节）	16 比特（2 字节）	128~191	2¹⁴=16384	2¹⁶-2=65534	中型网络
C 类	最高三位为 110	24 比特（3 字节）	8 比特（1 字节）	192~223	2²¹=2097152	2⁸-2=254	小型网络
D 类	最高四位为 1110	无明确网络 / 主机划分	无	224~239	-	-	组播（数据发送给特定组所有成员）
E 类	最高四位为 1111	无	无	240~255	-	-	保留（实验用途）

特殊说明：
- D 类地址部分特殊用途：如 224.0.0.1（本子网所有系统）、224.0.0.2（本子网所有路由器）等。
- 多宿主设备：连接多个网络的设备（如路由器、多网卡主机），每个网络连接对应一个 IP 地址，且地址分属不同网络。
- 地址分配：由因特网网络信息中心（InterNIC）分配网络前缀，组织内部负责主机地址分配，兼顾全局唯一性和管理分散性。

3.3 特殊 IP 地址

特殊 IP 地址不用于标识主机，具有特定功能，包括以下类型：

类型	定义	表达式	示例	用途与限制
网络地址	主机号全为 “0” 的地址	{<Network-number>, 0}	A 类：120.0.0.0；B 类：139.22.0.0；C 类：203.120.16.0	标识网络，不可分配给主机，不能作为源 / 目的地址
直接广播地址	主机号全为 “1” 的地址	{<Network-number>, -1}（“-1” 表示全 1）	A 类：120.255.255.255；B 类：139.22.255.255	向目标网络所有主机广播，仅作为目的地址
受限广播地址	32 比特全为 “1”	{ -1, -1 }	255.255.255.255	本网络内广播，路由器不转发，仅作为目的地址
本网络地址	网络号全为 “0”	本网络特定主机：{0, <Host-number>}；本网络本主机：{0, 0}（0.0.0.0）	0.0.0.5（特定主机）；0.0.0.0（本主机）	仅作为源地址（如无盘工作站启动时）
环回地址	A 类地址中以 127 开头的地址	{127, <any>}	127.0.0.1（常用，命名为 localhost）	用于网络软件测试或本机进程通信，数据不发送到网络

3.4 私有网络地址

定义：因特网地址分配机构保留的、仅用于私有网络（不直接连接因特网）的地址块，避免与公网地址冲突。
三组保留地址：
- A 类：10.0.0.0～10.255.255.255
- B 类：172.16.0.0～172.31.255.255
- C 类：192.168.0.0～192.168.255.255
APIPA 地址：
- 范围：169.254.0.0～169.254.255.255，默认掩码 255.255.0.0。
- 用途：DHCP 故障时自动分配，支持无 DHCP 服务器的小型网络，每隔 5 分钟尝试联系 DHCP 服务器。
好处：节省公网 IP 地址，通过代理服务器的网络地址转换（NAT）隐藏私有网络结构，提升安全性。

3.5 IP 地址配置

配置原则：
- 同一网络内主机需相同网络号，主机号必须唯一；
- 主机号不能全 “0”（网络地址）或全 “1”（广播地址）；
- 网络号不能全 “0”（本地网）、全 “1”、以 127 开头（环回地址）；
- 公网网络号必须全局唯一。
常见问题：
- 错误 IP 地址：如主机网络号与所在网络不符，导致通信失败；
- 重复 IP 地址：多台主机使用同一地址，引发通信异常（Windows 启动时会通过 ARP 广播检测冲突，部分系统无此机制）。
解决方案：使用动态主机配置协议（DHCP）自动分配 IP 地址，避免重复。

3.6 子网及子网掩码

子网划分目的：
- 提高大型网络（A 类、B 类）地址利用率；
- 按部门划分子网，便于管理；
- 隔离广播，减少网络拥塞；
- 分离管理与服务网络，提升安全性；
- 适配不同物理网络的互联需求。
子网结构：
- 将 IP 地址主机号划分为子网号和主机号，结构变为 IP-address ::= {<Network-number>, <Subnet-number>, <Host-number>}。
子网掩码：
- 定义：32 比特二进制数，网络号 + 子网号对应位为 “1”，主机号对应位为 “0”，用于区分子网结构。
- 作用：通过与 IP 地址进行按位 “与” 运算，获取子网地址（判断主机是否在本地子网）。
子网数量与主机数量计算：
- 设从主机号中取 m 比特作为子网号，剩余 n 比特作为主机号（A 类 p=24、B 类 p=16、C 类 p=8，n=p-m）：
  - 子网数：理论上 2ᵐ个，早期因路由协议限制，排除全 “0” 和全 “1” 子网，实际可用 2ᵐ-2 个（RFC 1878 后允许全 “0”/ 全 “1” 子网，需路由协议支持掩码）；
  - 主机数：每个子网可用主机为 2ⁿ-2 个（排除全 “0” 子网地址和全 “1” 子网广播地址）。
示例：
- B 类网络 172.16.0.0，m=2（取 2 比特子网号）：
  - 子网掩码：255.255.192.0（二进制 11111111 11111111 11000000 00000000）；
  - 子网：172.16.0.0（子网号 00）、172.16.64.0（01）、172.16.128.0（10）、172.16.192.0（11）；
  - 每个子网主机数：2¹⁴-2=16382 台。
可变长子网掩码（VLSM）：
- 允许同一网络中不同子网使用不同掩码，按需求划分不同规模子网（如部分子网需多主机，部分需少主机），提高地址利用率。

3.7 超网

定义：将多个连续的小型网络（如 C 类）合并为一个大地址块，适用于需要大量地址的单位（难以获得 A 类、B 类地址时）。
超网构造方法：
- 从网络号中取部分比特加入主机号，扩大主机地址空间；
- 超网掩码：“1” 的位数比默认掩码少（与子网掩码相反），通过与 IP 地址 “与” 运算获取超网地址。
构造条件：
- 地址块必须连续；
- 地址块数量为 2ᵐ（m=1,2,…）；
- 第一个地址块的第三字节值是地址块数量的整数倍（针对 C 类网络）。
示例：合并 8 个连续 C 类地址块（192.168.168.0~192.168.175.0）：
- 超网掩码：255.255.248.0（二进制 11111111 11111111 11111000 00000000）；
- 超网地址：192.168.168.0（通过掩码与任意地址 “与” 运算得到）；
- 作用：减少路由表条目，简化路由管理。

3.8 无类地址（CIDR）

定义：1996 年引入的无类别域间路由（Classless Interdomain Routing），取消 A、B、C 类划分，按前缀长度灵活划分网络与主机。
地址块要求：
- 地址连续；
- 数量为 2ⁿ（n 为整数）；
- 起始地址能被地址块数量整除（简化判断：如数量 < 2⁸，仅检查最后一字节；<2¹⁶检查最后两字节）。
表示方法：斜线表示法（CIDR 表示法），格式为 W.X.Y.Z/n，其中n为前缀长度（掩码中 “1” 的位数）。
示例：
- 地址块 10.126.60.40/29（前缀长度 29）：
  - 掩码：255.255.255.248（29 个 “1”）；
  - 地址范围：10.126.60.40~10.126.60.47（共 8 个地址，2³=8）；
  - 网络地址：10.126.60.40，广播地址：10.126.60.47。