【TCP/IP】3. IP 地址

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。

• 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：

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。

本章要点

• 物理地址（MAC 地址）存在不一致性和不唯一性，IP 地址在网络层实现地址统一。
• IPv4 为 32 比特，由网络号和主机号组成，点分十进制表示，本质是标识主机的网络连接。
• 分类 IP 地址分 A、B、C（单播）、D（组播）、E（保留），各有明确范围和规模。
• 特殊 IP 地址包括网络地址、广播地址、环回地址等，具有特定功能和使用限制。
• 私有网络地址（如 10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16）用于内部网络，节省公网地址。
• 子网划分通过子网掩码将主机号拆分，超网将连续网络合并，CIDR（无类地址）通过前缀长度灵活划分地址块，三者均用于优化地址利用率。