计算机网络之IP地址

IP地址的分类

整个的因特网就是一个单一的、抽象的网络。IP地址就是给因特网上的每一个主机（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。

所谓分类的IP地址，就是将IP地址划分为若干固定类，每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号 net-id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络，一个网络号在整个因特网范围内必须是唯一的。而另一个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（或路由器），一个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地址在整个因特网范围内是唯一的。

由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。

用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号。

路由器只根据目的站的IP 地址的网络号进行路由选择。

两级的 IP 地址可以记为：

IP 地址 ::= { <网络号>, <主机号>}

上图中的A类、B类、C类地址都是单播地址（一对一通信），是最常用的。

网络号字段的最前面有1-4位的类别位，A类、B类、C类地址的类别位分别为0、10、110。

为了提高可读性，我们常常把32位的IP地址中的每8位用其等效的十进制数字表示。

A类地址的网络号字段占一个字节，只有7位可供使用（第一位已固定为0），但是可指派的网络号是126个（2⁷-2），减2的原因：第一，IP地址中全为0的地址是个保留地址，表示“本网络”；第二，网络号为127（01111111）保留作为本地软件环回测试本主机的进程间的通信。

A类地址的主机号占3字节，因此每一个A类网络中的最大主机数是2²⁴-2。减2的原因：第一，全为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，第二，全为1的主机号字段表示该网络上的所有主机。

B类地址的网络号字段有2字节，但是前两位已经固定为10，只剩下14位可以进行分配，因为前面两位是10，不会出现全为0或全为1的网络号，但实际上，B类网络地址128.0.0.0是不指派的。所以最大网络数为2¹⁴-1。最大主机数为2¹⁶-2。

C类地址有3字节的网络号字段，前三位固定位110，还有21位可以进行分配。但实际上192.0.0.0是不指派的，因此C类地址可指派的网络总数为2²¹-1，最大主机数为2⁸-2。

IP地址与硬件地址

硬件地址是数据链路层和物理层使用的地址，而IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址。

发送数据时，数据从高层下到地层，然后才到通信链路上传输。使用IP地址的IP数据报一旦交给了数据链路层，就被封装成了MAC帧。MAC帧在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址，这两个硬件地址都写在MAC帧的首部。

连接在通信链路上的设备在接受MAC帧时，其根据是MAC帧首部中的硬件地址。在数据链路层看不见隐藏在MAC帧的数据中的IP地址。只有在剥去了MAC帧的首部和尾部后把MAC层的数据上交给网络层后，网络层才能在IP数据报的首部中找到源IP地址和目的IP地址。

划分子网

一个拥有许多物理网络的单位，可将所属的物理网络划分为若干个子网(subnet)。划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为一个网络。

划分子网的方法是从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个位。于是两级IP地址在本单位内部就变为三级IP地址：网络号、子网号和主机好。

IP地址 ::= {<网络号>, <子网号>, <主机号>}

凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。

下面通过一个例子来展示划分子网的方法与效果。

下图表示某单位拥有一个B类IP地址，网络地址是145.13.0.0（网络号是145.13）。

现把上图中的网络划分为三个子网，这里假定子网号占用8位，因此主机号只剩8位。所划分的子网分别是：145.13.3.0、145.13.7.0、145.13.21.0。

划分子网后，整个网络对外仍表现为一个网络，其网络地址仍为145.13.0.0，但是路由器R₁在收到外来的数据报后，再根据数据报的目的地址把它转发到相应的子网。

假定有一个数据报的目的地址是145.13.3.10已经到达路由器R₁，那么这个路由器如何把它转发到子网145.13.3.0呢？这就需要借助子网掩码（subnetmask）来实现了。

路由器会把子网掩码和收到的数据报地址的目的IP地址145.13.3.10进行按位“与”操作，得出所要找的子网的网络地址。

子网掩码与IP地址进行“与”操作之后，就将主机号“过滤”掉了，只剩下了网络号与子网号。

实际上，因特网的标准规定：所有网络必须使用子网掩码。即便一个网络没有划分子网，也要使用默认子网掩码。默认子网掩码中1的位置和IP地址中的网络号字段正好相对应，因此，两者进行“与”操作后，就能得出该IP地址的网络地址。A类、B类、C类地址的默认子网掩码是固定的：

例，已知 IP 地址是141.14.72.24，子网掩码是 255.255.192.0。试求网络地址。

应当注意，划分子网后，路由表必须包含以下三项内容：目的网络地址、子网掩码和下一跳地址。

在划分子网的情况下路由器转发分组的算法：

(1) 从收到的分组的首部提取目的IP 地址 D。

(2) 先用各网络的子网掩码和 D逐位相“与”，看是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。否则就是间接交付，执行(3)。

(3) 若路由表中有目的地址为 D的特定主机路由，则将分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。

(4) 对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐位相“与”，若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行指明的下一跳路由器；否则，执行(5)。

(5) 若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。

(6) 报告转发分组出错。

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