一文搞懂IP

1. 基本介绍

TCP/IP 协议的心脏是网络层，主要“实现节点之间的通信”，即“点对点(end-to-end)通信”。

网络层包含IP(Internet Protocol)及DNS（Domain Name System）、ARP（Address Resolution Protocol）ICMP(Internet Control Message Protocol)等协议。

网络层与数据链路层的关系

数据链路层提供两个直连设备间的通信，网络层通过IP实现不同数据链路上节点间的通信。

为了从A地到达B地需要制定行程表，并且购买相应的机票与火车票。

行程表的作用就相当于网络层。机票与火车票用于在某一限定“区间内”移动，“区间内”就相当于通信网络上的数据链路，“区间内”的出发地点和目的地点就如同某一个数据链路的源地址（源 MAC）和目标地址（目的MAC）等首部信息。

2. IP地址定义

IP 地址用于在“连接到网络中的所有主机中识别出进行通信的目标地址”。

（1）IPv4

IPv4 地址由 32 位正整数来表示，在计算机内部以二进制方式被处理。 $$2^{32}=4,294,967,296$$理论上可将43亿台计算机设备同时连接到网络。

一般将32 位的IP地址以每8位为一组，分成4组，每组以“.”隔开，再将每组数转换为十进制数。$$10101100.00010100.00000001.00000001$$$$172.20.1.1$$

（2）IPv6

IPv6地址由128位正整数表示$$2^{128}\approx 3.4\times 10^{28}$$

一般将128位比特的IPv6地址每16bit为一组，每组用冒号（:）分割标记。如果出现连续的0，可以将0省略，并用两个冒个（::）隔开。

e.g.

二进制：$$\begin{gathered} 1111111011011100:1011101010011000: \\ 0111011001010100:0011001000010000: \\ 1111111011011100:1011101010011000: \\ 0111011001010100:0011001000010000 \end{gathered}$$十六进制:$$\begin{gathered} FEDC:BA98:7654:3210: \\ FEDC:BA98:7654:3210 \end{gathered}$$二进制：$$\begin{gathered} 0001000010000000:0000000000000000: \\ 0000000000000000:0000000000000000: \\ 0000000000000100:0000100000000000: \\ 0010000000001100:0100000101111010 \end{gathered}$$十六进制（省略后）：$$1080::8:800:200C:417A$$

3. IP地址分类

IP地址由“网络标识（网络地址）+主机标识（主机地址）”组成，根据IP地址第1位到第四位的值，分为A、B、C、D四类地址。

（1）A类地址

A类地址以0开头，第1至8位为网络地址，后面24位为主机地址。网络地址范围为：$$\mathrm{0.0.0.0}\sim \mathrm{127.0.0.0}$$由于全0和全1的地址为保留地址，因此一个A类网段可以分配$2^{24}-2=16777214$个主机。

（2）B类地址

B类地址以10开头，第1至16位为网络地址，后面16位为主机地址。网络地址范围为：$$\mathrm{128.0.0.0}\sim \mathrm{191.0.0.0}$$由于全0和全1的地址为保留地址，因此一个B类网段可以分配$2^{16}-2=65534$个主机。

（3）C类地址

C类地址以110开头，第1至24位为网络地址，后面8位为主机地址。网络地址范围为：$$\mathrm{192.0.0.0}\sim \mathrm{223.255.255.0}$$由于全0和全1的地址为保留地址，因此一个C类网段可以分配$2^8-2=254$个主机。

（4）D类地址

D类地址以1110开头，第1至32位为网络地址，后面8位为主机地址。网络地址范围为：$$\mathrm{224.0.0.0}\sim \mathrm{239.255.255.255}$$

D类地址没有主机标识，常被用于多播（将包发送给特定组内的所有主机）。

4. 子网掩码

子网掩码(subnet mask)用来标识网络地址与主机地址，实现网络地址长度的灵活标识。

子网掩码也是一个32位的数字，对应IP地址网络标识部分的位全部为1，对应IP主机标识部分的位全部为0。

e.g.

IP地址：172.20.100.52
子网掩码：255.255.255.192

由于192的二进制表示为：11000000，因此172.20.100.52的前26位是网络地址，有时也表示为 172.20.100.52/24

5. 全局地址与私有地址

互联网中任何一台主机或路由器必须有一个唯一的IP地址，这个全局IP地址由互联网名称与数字地址分配机构（ICANN，Internet Corporation for Assigned Names and Numbers）进行管理。

ICANN是一个非营利性的国际组织，成立于1998年10月，负责全球IP地址的分配等工作。

随着互联网的迅速普及，IP地址不足的问题日趋显著，于是又出现了私有网络的IP地址，只要保证在这个网络内地址唯一即可，其地址范围如下:

• A类 ：10. 0. 0. 0 ~10. 255.255.255 (10/8)
• B类 ：172.16.0. 0 ~ 172.31. 255. 255 (172.16/12)
• C类：192.168.0.0 ~192.168.255.255((192.168/16)

在上述范围内的IP地址都属于私有IP或内网IP，而在此之外的IP地址称为全局 IP或公网IP。