3.5 IP地址及網絡常識

互聯網協議地址(internet protocol address，IP)，IP地址是IP協議提供的一種統一的地址格式，它為互聯網上的每一個網絡和每一臺主機分配一個邏輯地址，以此來屏蔽物理地址的差異。IP地址給Internet上的每個通信設備分配一個編號，每臺聯網的PC上都需要有IP地址，這樣才能正常通信。

IP地址是一個32位的二進制數，通常被分割為4個8位二進制數（即4個字節）。IP地址通常用點分十進制表示成“a.b.c.d”的形式，其中，a、b、c、d都是0～255之間的十進制整數。

常見的IP地址分為IPv4與IPv6兩大類。IP地址編址方案將IP地址空間劃分為A、B、C、D、E五類，其中A、B、C是基本類，D、E類作為多播和保留使用。

IPv4有4段數字，每一段最大不超過255。由于互聯網的蓬勃發展，IP位址的需求量越來越大，使得IP位址的發放愈趨嚴格，各項資料顯示，全球IPv4位址在2011年已經全部分發完畢。

地址空間的不足必將妨礙互聯網的進一步發展。為了擴大地址空間，擬通過IPv6重新定義地址空間。IPv6采用128位地址長度。在IPv6的設計過程中除了一勞永逸地解決了地址短缺問題以外，IPv6的誕生可以給全球每一粒沙子配置一個IP地址，還考慮了在IPv4中解決不好的其他問題，如圖3-8所示。

3.5.1 IP地址分類

IPv4地址編址方案有A、B、C、D、E五類，其中A、B、C是基本類，D、E類作為多播和保留使用，各分類詳解如下。

1．A類IP地址

一個A類IP地址是指，在IP地址的四段號碼中，第一段號碼為網絡號碼，剩下的三段號碼為本地計算機的號碼。如果用二進制表示IP地址的話，A類IP地址就由1字節的網絡地址和3字節主機地址組成，網絡地址的最高位必須是0。A類IP地址中網絡的標識長度為8位，主機標識的長度為24位，A類網絡地址數量較少，有126個網絡，每個網絡可以容納主機數可達到1600萬臺。

A類IP地址范圍為1.0.0.0～127.255.255.255（二進制表示為00000001000000000000000000000000～01111110111111111111111111111111)，最后一個為廣播地址。A類IP地址的子網掩碼為255.0.0.0，每個網絡支持的最大主機數為2563－2＝16777214臺。

2．B類IP地址

一個B類IP地址是指在IP地址的四段號碼中，前兩段號碼為網絡號碼。如果用二進制表示IP地址的話，B類IP地址就由2字節的網絡地址和2字節主機地址組成，網絡地址的最高位必須是10。

B類IP地址中網絡的標識長度為16位，主機標識的長度為16位，B類網絡地址適用于中等規模的網絡，有16384個網絡，每個網絡所能容納的計算機數為6萬多臺。

B類IP地址范圍為128.0.0.0～191.255.255.255（二進制表示為10000000000000000000000000000000～10111111111111111111111111111111)，最后一個是廣播地址。B類IP地址的子網掩碼為255.255.0.0，每個網絡支持的最大主機數為2562－2＝65534臺。

3．C類IP地址

一個C類IP地址是指在IP地址的四段號碼中，前三段號碼為網絡號碼，剩下的一段號碼為本地計算機的號碼。如果用二進制表示IP地址的話，C類IP地址就由3字節的網絡地址和1字節主機地址組成，網絡地址的最高位必須是110。C類IP地址中網絡的標識長度為24位，主機標識的長度為8位，C類網絡地址數量較多，有209萬余個網絡。適用于小規模的局域網絡，每個網絡最多只能包含254臺計算機。

C類IP地址范圍為192.0.0.0～223.255.255.255（二進制表示為11000000000000000000000000000000～11011111111111111111111111111111)。C類IP地址的子網掩碼為255.255.255.0，每個網絡支持的最大主機數為256－2＝254臺。

4．D類IP地址

D類IP地址又稱為多播地址(multicast address)，即組播地址。在以太網中，多播地址命名了一組應該在這個網絡中應用接收到一個分組的站點。多播地址的最高位必須是1110，范圍從224.0.0.0～239.255.255.255。

5．特殊的地址

每一個字節都為0的地址(0.0.0.0)表示當前主機，IP地址中的每一個字節都為1的IP地址(255.255.255.255)是當前子網的廣播地址，IP地址中凡是以11110開頭的E類IP地址都保留用于將來和實驗使用。

IP地址中不能以十進制127作為開頭，而以數字127.0.0.1～127.255.255.255段的IP地址稱為回環地址，用于回路測試，如127.0.0.1可以代表本機IP地址，網絡ID的第一個8位組也不能全置為0，全0表示本地網絡。

3.5.2 子網掩碼

子網掩碼(subnet mask)又名網絡掩碼、地址掩碼，它是一種用來指明一個IP地址的哪些位標識的是主機所在的子網，以及哪些位標識的是主機的位掩碼。

通常來講，子網掩碼不能單獨存在，它必須結合IP地址一起使用。子網掩碼只有一個作用，就是將某個IP地址劃分成網絡地址和主機地址兩部分。

子網掩碼是一個32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以區別網絡標識和主機標識，并說明該IP地址是在局域網上，還是在遠程網上。

對于A類地址，默認的子網掩碼是255.0.0.0，而對于B類地址來說默認的子網掩碼是255.255.0.0，對于C類地址來說默認的子網掩碼是255.255.255.0。

互聯網是由各種小型網絡構成的，每個網絡上都有許多主機，這樣便構成了一個有層次的結構。IP地址在設計時就考慮到地址分配的層次特點，將每個IP地址都分割成網絡號和主機號兩部分，以便于IP地址的尋址操作。

子網掩碼的設定必須遵循一定的規則。與二進制IP地址相同，子網掩碼由1和0組成，且1和0分別連續。子網掩碼的長度也是32位，左邊是網絡位，用二進制數字1表示，1的數目等于網絡位的長度；右邊是主機位，用二進制數字0表示，0的數目等于主機位的長度。

3.5.3 網關地址

網關(gateway)是一個網絡連接到另一個網絡的“關口”，網關實質上是一個網絡通向其他網絡的IP地址。主要用于不同網絡間傳輸數據。

例如電腦設備上網，如果是接入到同一個交換機，在交換機內部傳輸數據是不需要經過網關的，但是如果兩臺設備不在一個交換機網絡，則需要在本機配置網關，內網主機的數據通過網關，網關把數據轉發到其他的網絡的網關，直至找到對方的主機網絡，然后返回數據。

3.5.4 MAC地址

媒體訪問控制(media access control，MAC)是物理地址、硬件地址，用來定義網絡設備的位置。

在OSI模型中，第三層網絡層負責IP地址，第二層數據鏈路層則負責MAC地址。因此一個主機會有一個MAC地址，而每個網絡位置會有一個專屬于它的IP地址。

IP地址工作在OSI參考模型的第三層網絡層。兩者之間分工明確，默契合作，完成通信過程。IP地址專注于網絡層，將數據包從一個網絡轉發到另外一個網絡；而MAC地址則專注于數據鏈路層，將一個數據幀從一個節點傳送到相同鏈路的另一個節點。

IP地址和MAC地址一般是成對出現的。如果一臺計算機要和網絡中另一臺計算機通信，那么這兩臺設備必須配置IP地址和MAC地址，而MAC地址是網卡出廠時設定的，這樣配置的IP地址就和MAC地址形成了一種對應關系。

在數據通信時，IP地址負責表示計算機的網絡層地址，網絡層設備（如路由器）根據IP地址來進行操作；MAC地址負責表示計算機的數據鏈路層地址，數據鏈路層設備，根據MAC地址來進行操作。IP地址和MAC地址這種映射關系是通過地址解析協議(address resolution protocol，ARP)來實現的。