IPV4地址介绍

4.1IP地址简介

目前的全球因特网所采用的协议族是TCP/IP协议族。IP是TCP/IP协议族中网络层的协议，是TCP/IP协议族的核心协议。IP协议定义了一种地址编码，称为IP地址，它是网络中网络段、网络设备接口、主机的编码，它并不是一种物理地址，而是逻辑地址，即地址是可以被分配、并且非固定、可修改的。

IPv4，是互联网协议（Internet Protocol，IP）的第四版，也是第一个被广泛使用，构成现今互联网技术的基石的协议。1981年 Jon Postel 在RFC791中定义了IP，IP可以运行在各种各样的底层网络上，比如端对端的串行数据链路、卫星链路等等。局域网中最常用的是以太网。

IPv4的下一个版本就是IPv6，IPv6正处在不断发展和完善的过程中，它在不久的将来将取代目前被广泛使用的IPv4。

4.1.1 IP报文

IP协议有版本之分，分别是IPv4和IPv6。目前，Internet上的IP报文主要都是IPv4报文，但是逐步在向IPv6过渡。若无特别声明，本章所提及的IP均指IPv4，IPV4的报文格式如图4-1所示：

IPv4（Internet Protocol Version 4）协议族是TCP/IP协议族中最为核心的协议族。它工作在TCP/IP协议栈的网络层，该层与OSI参考模型的网络层相对应。

IPv6（Internet Protocol Version 6）是网络层协议的第二代标准协议，也被称为IPng（IP Next Generation）。它是Internet工程任务组IETF（Internet Engineering Task Force）设计的一套规范，是IPv4（Internet Protocol Version 4）的升级版本，后面的章节我们再做详细介绍。

图4-1 IP报头

其包头主要内容如下：

Version：4 bit，4：表示为IPv4；6：表示为IPv6。
Header Length：4 bit，首部长度，如果不带Option字段，则为20，最长为60。
Type of Service：8 bit，服务类型。只有在有QoS差分服务要求时，这个字段才起作用。
Total Length：16 bit，总长度，整个IP数据包的长度。包括首部和数据之和，单位为字节，最长65535，总长度必须不超过最大传输单元MTU。
Identification：16 bit，标识，主机每发一个报文，加1，分片重组时会用到该字段。
Flags：3 bit，标志位。
Fragment Offset：12 bit，片偏移，分片重组时会用到该字段。
Time to Live：8 bit，生存时间。
Protocol：8 bit，协议：下一层协议。指出此数据包携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个进程处理。

常见值：

1: ICMP, Internet Control Message；

2: IGMP, Internet Group Management；

6: TCP , Transmission Control Protocol；

17: UDP, User Datagram Protocol。

Header Checksum：16 bit，首部检验和。
Source IP Address：32 bit，源IP地址。
Destination IP Address：32 bit，目的IP地址。
Options：可变，选项字段。
Padding：可变，填充字段，全填0。

4.1.2 IP地址表示方法和范围

二进制与十进制的转换

在学习IP地址的时候，我们首先要搞懂什么是十进制、什么是二进制，并且要知道他们之间的转化过程，掌握这些知识对我们学习IP地址有很大的益处。

首先我们看一下什么是十进制，比如我今天买了一本书128元，这个数字128就是十进制，我们就数字128来分析一下十进制。

- - - 十进制一共有10个数字：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
    - 128=1x102+2x101+8x100=1x100+2x10+8x1=128，在十进制中，10代表权，N代表幂，其中个位为100，十位为101，百位为103。

掌握了十进制以后，我们来看一个二进制：

- - - 二进制一共有2个数字：0 1
    - 1101化成十进制为1x23+1x22+0x21+1x20=1x8+1x4+0+1=13，在二进制中，2代表权，N代表幂，从二进制的右边开始依次为20 21 22 ---。

IP地址的表示

IP地址是长度是32 bit，由4个字节组成。为了阅读和书写方便，IP地址通常采用点分十进制数来表示，但通信设备在对IP地址进行计算时使用的是二进制的操作方式。例如，采用点分十进制表示的IP地址192.168.10.1也可以用二进制表示，它的对应关系如图4-2所示：

图4-2 IP地址二进制与十进制的关系

如果大家对二进制和十进制的转换非常清楚了就可以知道IP地址的范围用二进制表示为：00000000.00000000.00000000.00000000-11111111.11111111.11111111.11111111，化成十进制为：0.0.0.0-255.255.255.255。

4.1.3 IP地址构成

IP地址被划分为网络部分和主机部分，如图4-3所示，网络部分负责表示所在的逻辑网络区域，主机部分表示该主机在网段中的具体逻辑位置。同一网络区域中所有主机的网络部分是同一个。

图4-3 IP地址构成

如果把IP地址和电话号码做类比：电话号码0731-85015906中，0731是区号，代表湖南省长沙市，类似于IP地址中的网络部分；85015906是湖南省长沙市内某一个电话机的确切号码，类似于IP地址中的主机部分。

4.1.4 IP地址分类

为了方便IP地址的管理及组网，IP地址分成五类，如图4-4所示：

图4-4 IP地址的分类

A类地址：第一个bit必须为0，这样就能计算出A类地址的第一个字节的取值范围为0-127或（00000000）2-（01111111）2，第一个字节为网络位区间，后三个字节为主机位区间。在A类地址中当第一个字节为0或127时，它不归属于A类网络，我们在4.2.3中介绍。

B类地址：前2bit必须为10，那么B类网络地址第一个字节的取值范围为128-191或（10000000）2-（10111111）2，前两个字节段为网络位区间，后两个字节段为主机位区间。

C类地址：前3bit必须为110，第一个字节取值范围为192-223或（11000000）2-（11011111）2。C类地址前三个字节为网络位区间，第四个字节为主机位区间。

D类地址：这一类被定义为组播地址。

E类地址：用于科学研究。

4.4.5 IP地址的计算

IP地址的分类

读者朋友们要记住A类IP地址的范围为1-126，B类IP地址的范围为128-191，C类IP地址的范围为192-223，D类IP地址的范围为224-239。只要记住这些知识就能很快的区分IP地址的范围。

网络位和主机位

读者朋友只要记住A类IP地址网络位为8位，主机位为24位，B类IP地址网络位为16位，主机位为16位，C类IP地址的网络位为24位，主机位为8位。就能很快的看出一个IP地址的网络位和主机位

举例1：10.1.1.1属于A类IP地址，因为A类IP地址的范围为1-126

举例2：172.16.1.1属于B类IP地址，因为B类IP地址的范围为128-191

举例3：192.168.1.1属于C类IP地址，因为C类IP地址的范围为192-223

子网掩码

子网掩码的定义：网络全为1，主机位全为0

举例1：10.1.1.1它的子网掩码为255.0.0.0，因为10.1.1.1的网络位有8位，主机位有24位，所以应该为：

11111111.000000000.00000000.00000000（255.0.0.0）子网掩码

举例2：172.16.1.1它的子网掩码为255.255.0.0，因为172.16.1.1的网络位有16位，主机位有16位，所以应该为：

11111111.11111111.00000000.00000000 (255.255.0.0) 子网掩码

举例3：192.168.1.1它的子网掩码为255.255.255.0，因为192.168.1.1的网络位为24位，主机位为8位，所以应该为：

11111111.1111111.1111111.00000000（255.255.255.0）子网掩码

网络地址

网络地址定义：网络位不变，主机机位全为0

举例1：10.1.1.1它的网络地址为10.0.0.0，因为10.1.1.1的网络位有8位，主机位有24位，所以前面8位网络位不变，主机位全部为0，所以应该为：

10.00000000.00000000.00000000 (10.0.0.0) 网络地址

举例2：172.16.1.1它的网络地址为172.16.0.0，因为172.16.1.1的网络位有16位，主机位有16位，网络位不变，主机位全部置0，所以应该为：

172.16.00000000.00000000（172.16.0.0）网络地址

举例3：192.168.1.1它的网络地址为192.168.1.0，因为192.168.1.1的网络位为24位，主机位为8位，网络位不变，主机位全部置0，所以应该为：

192.168.1.00000000（192.168.1.0）网络地址

广播地址

广播地址定义：网络位不变，主机位全为1

举例1：10.1.1.1它的广播地址为10.255.255.255，因为10.1.1.1的网络位有8位，主机位有24位，前面8位网络位不变，后面24位主机位全部为1，所以应该为：

10.11111111.11111111.11111111 (10.255.255.255) 广播地址

举例2：172.16.1.1它的广播地址为172.16.255.255，因为172.16.1.1的网络位有16位，主机位有16位，网络位不变，主机位全部置1，所以应该为：

172.16.111111111.11111111（172.16.255.255）广播地址

举例3：192.168.1.1它的广播地址为192.168.1.255，因为192.168.1.1的网络位为24位，主机位为8位，网络位不变，主机位全部置1，所以应该为：

192.168.1.11111111（192.168.1.255）网络地址

主机地址

主机地址算法：网络地址加1，广播地址减1。

举例1：10.1.1.1的网络地址为10.0.0.0，广播地址为10.255.255.255，所以主机地址为10.0.0.1至10.255.255.254

举例2：172.16.1.1的网络地址为172.16.0.0，广播地址为172.16.255.255，所以主机地址为172.16.0.1至172.16.255.254。

举例3：192.168.1.1的网络地址为192.168.1.0，广播地址为192.168.1.255，所以主机地址为192.168.1.1至192.168.1.254。

主机数

主机数的算法：2N-2，其中N代表主机位。

举例1：10.1.1.1的网络位为8位，主机位为24位，所以它的主机数为224-2=16777214。

举例2：172.16.1.1的网络位为16位，主机位为16位，所以它的主机数为216-2=65534。

举例3：192.168.1.1的网络位为24位，主机位为8位，的以它的主机数为28-2=254。

以上内容总结见表4-1

表4-1 IP地址的计算

IP地址	类别	网络位	主机位	子网掩码	网络地址	广播地址	主机地址	主机数
10.1.1.1	A	8	24	255.0.0.0	10.0.0.0	10.255.255.255	10.0.0.1-10.255.255.254	224-2
172.16.1.1	B	16	16	255.255.0.0	172.16.0.0	172.16.255.255	172.16.0.1-172.16.255.254	216-2
192.168.1.1	C	24	8	255.255.255.0	192.168.1.0	192.168.1.255	192.168.1.1-192.168.1.254	28-2

4.4.7 私有IP地址

为了解决IP地址短缺的问题，提出了私有地址的概念。私有地址是指内部网络或主机地址，这些地址只能用于某个内部网络，不能用于公共网络。

公网IP地址：连接到Internet的网络设备必须具有由IANA(Network Address Translation, 网络地址转换)分配的公网IP地址。
私网IP地址：私网IP地址的使用使得网络可以得到更为自由地扩展，因为同一个私网IP地址是可以在不同的私有网络中重复使用的。
私有IP地址的了分为A类、B类和C类。

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

私有网络连接到Internet：私有网络由于使用了私网IP地址，是不允许连接到Internet的。后来在实际需求的驱动下，许多私有网络也希望能够连接到Internet上，从而实现私网与Internet之间的通信，以及通过Internet实现私网与私网之间的通信。私网与Internet的互联，必须使用网络地址转换 (NAT)技术实现。

4.4.8 特殊IP地址

IP地址空间中，有一些特殊的IP地址，这些IP地址有特殊的含义和作用如图4-5所示：

图4-5 特殊的IP地址

255.255.255

这个地址称为有限广播地址，它可以作为一个IP报文的目的IP地址使用。
路由器接收到目的IP地址为有限广播地址的IP报文后，会停止对该IP报文的转发。

0.0.0.0

如果把这个地址作为网络地址，它的意思就是“任何网络”的网络地址；如果把这个地址作为主机接口地址，它的意思就是“这个网络上主机接口”的IP地址。
例如：当一个主机接口在启动过程中尚未获得自己的IP地址时，就可以向网络发送目的IP地址为有限广播地址、源IP地址为0.0.0.0的DHCP请求报文，希望DHCP服务器在收到自己的请求后，能够给自己分配一个可用的IP地址。