IP地址详解

每个使用 IP 协议进行通信的实体，都需要分配一个地址，这就是我们所熟知的 IP 地址。

IP 地址由 4 个字节组成，共 32 位，理论上可以表示 $2^{32} = 4294967296$ ，即超过 42 亿台主机。这个数字虽然很大，如果为地球上每个人都分配一个，也还不够。

点分十进制表示法

我们熟悉的 IP 地址 172.16.254.1 由多个字符构成，而不是 4 个字节，这是为什么呢？为回答这个问题，我们需要深入考察 IP 地址结构，理解 点分十进制表示法 ( dotted decimal notation )。

IP 地址由 4 个字节构成，但不是每个字节都能用 ASCII 来显示。下面这个 IP 地址如果用 ASCII 来解读，有 2 个字节是非法字符，另外 2 个是 ASCII 中的控制字符，没一个能直接显示：

我们知道，一个字节有 8 位，可以表示从 0 到 255 的整数。因此，一个 IP 地址可以用 4 个十进制数来表示，每个数字各代表一个字节：

我们可以用若干个 ASCII 数字字符来表示一个十进制数，每个数之间额外插入一个英文句点，进一步增强可读性，这就是我们常用的 点分十进制表示法 ：

注意到，原 IP 地址中的一个字节，可能需要多个 ASCII 数字字符来表示。此外，还要插入 3 个英文句点来分隔，总长度膨胀不少。因此，点分十进制存储效率和处理效率都不高，底层网络通信还是采用原本的二进制格式。

那么，如何将点分十进制法表示的 IP 地址，换算成二进制形式呢？我们只需将每个数字都换算成 8 个二进制位，再将所有的二进制位连接起来即可：

网络号和主机号

同一个网络中的主机，IP 地址都有相同的前缀。以上节讨论的网络拓扑为例：

左边网络的主机，IP 地址前缀都是 192.168.1 ；右边网络的主机，IP 地址前缀都是 192.168.2 。根据这个特性，一个 IP 地址可以分为两部分：

• 网络号 ，即公共前缀部分，用于表示一个网络；
• 主机号 ，即剩余部分，用于表示该网络内的一台主机；

这个例子中，IP 地址前 3 个字节（ 24 位 ）为网络号，最后一个字节（ 8 位 ）为主机号。主机号长度为 8 比特的网络，理论上可以接入 $2^8=256$ 台主机。实际上，每个网络都有两个特殊的地址，不能分配：

• 主机号比特全为 0 ，是网络的起始地址，用于表示网络本身，一般称为 网络地址 ；
• 主机号比特全为 1 ，是网络的结束地址，用于向网络内的所有主机进行广播，一般称为 广播地址 ；

因此，一个主机号长度为 n 比特的网络，最多可以接入 $2^n-2$ 台主机。

IP地址分类

那么，是不是所有的 IP 地址，网络号都是 3 字节，主机号都是 1 字节呢？

答案肯定是否定的。不同的网络，规模有大有小。因此，网络号和主机号的长度，需要根据网络规模来确定。试想，如果主机号总是 1 字节，当一个网络内的主机超过 254 台时，该怎么办呢？

在网络技术兴起的早期，科学家们将 IP 地址划分为若干类：

A类地址

A 类地址第一位总是为 0 ，网络号总是 1 字节，主机号总是 3 字节，一般分配给 大型网络 。

• 前缀：0
• 网络号可变位数：7
• 网络个数：$2^7 = 128$
• 每个网络支持的主机数：$2^{24}-2 = 16777214$ ，超过一千六百万；
• 地址范围：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255

B类地址

B 类地址前两位总是 10 ，网络号总是 2 字节，主机号总是 2 字节，一般分配给 中型网络 。

• 前缀：10
• 网络号可变位数：14
• 网络个数：$2^{14} = 16384$
• 每个网络支持的主机数：$2^{16} - 2 = 65534$ ，超过六万五千；
• 地址范围：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255

C类地址

C 类地址前三位总是 110 ，网络号总是 3 字节，主机号总是 1 字节，一般分配给 小型网络 。

• 前缀：110
• 网络号可变位数：21
• 网络个数：$2^{21} = 2097152$
• 每个网络支持的主机数：$2^8 - 2 = 254$ ；
• 地址范围：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255

D类地址

D 类地址前四位总是 1110 ，用于 多播通信 （后续章节介绍）。

• 前缀：1110
• 地址范围：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255

E类地址

E 类地址前四位总是 1111 ，保留未用 。

• 前缀：1111
• 地址范围：240.0.0.0 ~ 255.255.255.255

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