IP 地址 (Internet Protocol Address) 详细介绍
摘要
IP地址是互联网协议（IP）中用于唯一标识和定位网络设备的数字标签。它是网络通信的基础。本指南将详细介绍IP地址的两个主要版本：IPv4 和 IPv6，以及它们的核心组成和工作原理。
IP 地址基础概念
1.1 什么是 IP 地址？
IP地址就像设备在网络世界中的“身份证号”和“邮寄地址”。它有两个主要功能：
| 功能 | 描述 |
| 标识 (Identification) | 唯一地识别连接到网络（无论是局域网还是互联网）的每一台设备（主机）。 |
| 寻址 (Addressing) | 提供设备在网络中的位置信息，确保数据包能够被路由器正确地发送到目标。 |
1.2 IP 地址的逻辑组成
无论是哪个版本的IP地址，其逻辑上都包含两部分信息：
网络 ID (Network ID)： 标识设备所连接的整个网络。
主机 ID (Host ID)： 标识网络中的特定设备。
网络设备（如路由器）主要根据 网络 ID 来进行路由选择。
IPv4 (Internet Protocol version 4)
IPv4是目前仍在广泛使用的IP协议版本，但由于其地址空间限制，正在被IPv6逐步取代。
2.1 IPv4 的格式与结构
| 特性 | 详细描述 |
| 长度 | 32位 二进制数字。 |
| 表示法 | 采用 点分十进制 (Dotted-decimal notation)，将32位分成4个8位组（称为八位组/Octet），每个八位组转换为十进制数，用点号（.）分隔。 |
| 地址范围 | 从 0.0.0.0 到 255.255.255.255，理论上约 $43$ 亿个地址。 |
| 示例 | 192.168.1.10 |
2.2 子网掩码与网络划分
子网掩码用于告诉计算机一个IP地址的哪一部分是网络ID，哪一部分是主机ID。
子网掩码 (Subnet Mask)： 也是32位地址，网络ID部分对应位全为 $1$，主机ID部分对应位全为 $0$。
示例：
255.255.255.0
计算方法： 将IP地址与子网掩码进行 “与” 运算，得到的结果就是 网络地址。
2.3 无类别域间路由 (CIDR)
CIDR是目前最常用的网络划分方式，取代了传统的A/B/C分类，实现了更灵活的地址分配和路由聚合。
表示格式：
IP地址/网络号位数示例：
192.168.1.0/24/24表示前24位（即前3个八位组）是网络ID。这等效于子网掩码
255.255.255.0。
2.4 公有 IP 与私有 IP (NAT 机制)
| 类型 | 作用范围 | 地址特点 | 关键机制 |
| 公有 IP (Public) | 互联网（全球） | 全球唯一，可被互联网上的任何设备访问。 | N/A |
| 私有 IP (Private) | 局域网（本地） | 仅在本地网络中使用，不能直接在互联网上路由。 | NAT (网络地址转换)：允许局域网内的所有私有IP设备共享一个或少数几个公有IP地址上网，解决了IPv4地址不足的问题。 |
| 私有地址段 | A类： 10.0.0.0 到 10.255.255.255 | B类： 172.16.0.0 到 172.31.255.255 | C类： 192.168.0.0 到 192.168.255.255 |
2.5 IPv4 特殊地址
| 地址 | 名称 | 作用 |
| 127.0.0.1 | 环回地址 (Loopback) | 指向本机，用于测试本地网络软件和协议栈是否正常。 |
| 主机号全 $0$ | 网络地址 | 标识整个网络（如 192.168.1.0/24）。 |
| 主机号全 $1$ | 广播地址 | 用于向网络中的所有主机发送数据包。 |
IPv6 (Internet Protocol version 6)
IPv6是为彻底解决IPv4地址耗尽问题而设计的下一代互联网协议。
3.1 IPv6 的格式与结构
| 特性 | 详细描述 |
| 长度 | 128位 二进制数字。 |
| 地址数量 | $2^{128}$ 个，数量巨大，可为地球上每颗沙子分配地址。 |
| 表示法 | 采用 冒号分隔的十六进制 表示，将128位分成8个16位组，用冒号（:）分隔。 |
| 示例 | 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 |
3.2 IPv6 的简化规则
IPv6地址通常很长，因此引入了简化规则：
省略前导零： 每组中的前导零可以省略（如
0db8写成db8）。双冒号 (::)： 地址中一串连续的零可以被一对双冒号 (
::) 替换，但只能使用一次。简化示例： 上述示例可简化为
2001:db8:85a3::8a2e:370:7334。
3.3 IPv6 的核心优势
| 优势 | 描述 |
| 地址空间充足 | 根本上解决了地址短缺问题，不再需要NAT。 |
| 简化报头 | 报文头格式更高效，路由器处理速度更快。 |
| 原生安全 | 内置 IPsec（网络层安全），提供端到端的加密和认证。 |
| 自动配置 | 支持 SLAAC (无状态自动配置)，设备可以自动获取IP地址，无需依赖DHCP服务器。 |
| 多播/任播 | 取消了IPv4的广播，使用更高效的组播 (Multicast) 和 任播 (Anycast) 提升网络效率。 |
3.4 IPv6 地址类型
| 类型 | 描述 | 类似 IPv4 |
| 单播 (Unicast) | 一对一通信，发给唯一的接口。包括全球单播（GUA）和链路本地（Link-Local）。 | 公有/私有 IP |
| 组播 (Multicast) | 一对多通信，发给属于特定组的所有接口（取代了广播）。 | 组播 |
| 任播 (Anycast) | 一对最近的一个，发给共享同一地址的一组接口中，路由距离最近的那一个。 | N/A |
总结对比
| 特性 | IPv4 (32位) | IPv6 (128位) |
| 地址长度 | 32位 | 128位 |
| 表示法 | 点分十进制 (192.168.1.1) | 冒号分隔的十六进制 (2001:db8::1) |
| 地址数量 | 约 $4.3 \times 10^9$ | 约 $3.4 \times 10^{38}$ |
| 网络地址转换 (NAT) | 必需（为缓解地址耗尽） | 非必需（每个设备可拥有全球唯一地址） |
| 安全性 (IPsec) | 可选/附加 | 原生内置 |
| 地址配置 | DHCP 或手动 | SLAAC 或 DHCPv6 |