2.3 IP地址与子网划分

微视频3 IP地址与子网划分

2.3.1 IP地址的表示

在网际层使用IP地址来唯一标识一个节点。IP地址是一个由32bit的二进制数来表示的全数字标识符。为了方便书写及记忆，通常IP地址使用点分十进制来表示。它将32bitIP地址分成4个段，每个段为8bit，中间用小数点隔开，然后将每个段的8bit二进制数转换为对应的十进制数，如图2-6所示，IP地址通过点分十进制表示为128.11.3.31。

图2-6 IP地址的表示方法

2.3.2 IP地址的结构

Internet是把全世界的无数个局域网络互联起来的一个庞大的网络，每个局域网络中的计算机通过其IP地址被唯一标识。同样，在Internet上这个庞大的互联网中，每个网络也有自己的标识符，即网络地址。同一个物理网络上的所有主机都有同样的网络标识，网络上的主机（包括网络上工作站、服务器和路由器等）都有一个主机标识与其对应。IP地址的4B划分为两个部分：一部分用以表示具体的网络段，即网络号；另一部分用以表示具体的节点，即主机号。这里的“主机”是指某个网络中的某台特定的计算机。

IP地址采用分级地址结构，IPv4将IP地址分为两部分，即网络号部分和主机号部分，如图2-7所示。网络号表示其所属的网络段编号，网络号在Internet中是唯一的；主机号则表示该网段中主机的地址编号，主机号对具有同一网络号的网络是唯一的。

图2-7 IP地址的结构

网络号：表示其所属的网络段编号，网络号对Internet是唯一的，网络号的第一个8位组不能都设为1。

主机号：表示该网段中该主机的地址编号，主机号对同一网络号的网络是唯一的，不管它是否连接到Internet，主机ID不能全为1。

IPv4地址表示需要注意以下几点：

1）在Internet中，IP地址具有唯一性。

2）IP地址是一个全数字表示的地址标识符。

3）IPv4中IP地址是一个32bit的二进制地址。

4）IPv4地址采用点分十进制表示方法表示，每8bit分为一组，共4个组，组之间用点号隔开，每组取值最大为255，其中第1组和第4组不能为0。

2.3.3 IP地址的分类

由于在Internet中存在多个不同的网络，并且不同网络之间主机数量差别较大，为了便于IP地址的管理和提高IP地址的使用效率，IP地址用前5bit标识IP地址的类别，将IP地址分为A、B、C、D、E共计5类。各类地址分类和规划如图2-8所示。

图2-8 IP地址的分类

A类IP地址的网络号为第一个8bit数组，第一字节以“0”开始。因此，A类网络地址的有效位数为7bit，A类地址的第一字节为0～127之间，但0和127具有保留功能，所以实际的范围是1～126。例如，10.1.1.1、126.2.4.78等为A类地址。A类地址的主机地址位为后面的24bit。A类地址的范围为1.0.0.0～126.255.255.255，每一个A类网络共有2²⁴个A类IP地址，可以用于主机数达1600多万台的大型网络。

B类IP地址的网络号为前两个8bit数组，第一字节以“10”开始。因此，B类网络地址的有效位数为16bit—2bit=14bit，B类地址的第一字节为128～191之间。例如，128.1.1.1、168.2.4.78等为B类地址。B类地址的主机地址位数为后面的2字节共16位。B类地址的范围为128.0.0.0～191.255.255.255，每一个B类网络共有2¹⁶个B类IP地址。每个网络所能容纳的计算机数为6万多台，适用于中等规模的网络。

C类IP地址的网络号为前三个8位数组，第一字节以“110”开始。因此，C类网络地址的有效位数为24bit—3bit=21bit，C类地址的第一字节为192～223之间。例如，192.1.1.1、220.2.4.78等为C类地址。C类地址的主机地址部分为后面的一字节8位。C类地址的范围为192.0.0.0～223.255.255.255，每一个C类网络共有2⁸=256个C类IP地址，适用于小规模的局域网络。

D类地址第一个8位数组以“1110”开头，因此，D类地址的第一字节为224～239。D类地址通常作为组播地址。

E类地址第一字节为240～255，保留用于科学研究。

常用的是A、B、C这3类地址。IP地址由国际互联网信息中心（International Network Information Center，InterNIC）根据公司大小进行分配。过去通常把A类地址保留给政府机构，B类地址分配给中等规模的公司，C类地址分配给小单位。随着互联网的飞速发展，再加上IP地址的浪费，IP地址已经非常紧张。

2.3.4 特殊IP地址

在IP地址中，有些IP地址在特定的环境中有特殊的用途，这些地址通常称为特殊IP地址。

IP地址用于唯一地标识一台网络节点，但并不是每一个IP地址都是可用的，一些特殊的IP地址被用于各种各样的特殊用途，不能用于标识网络节点。

主机号部分全为“0”的IP地址，称为网络地址，网络地址用来标识一个网段。例如，A类网络地址1.0.0.0用于一个网络的标识，不能作为节点IP使用。

主机号部分全为“1”的IP地址，称为网段广播地址，广播地址用于标识一个网络的所有主机。例如，10.255.255.255、192.168.1.255等，用于向本网段的所有节点发送数据包。

对于网络号部分为127的IP地址，用于环路测试。

全“0”的IP地址0.0.0.0代表所有的主机，路由器通常用0.0.0.0地址指定默认路由。

全“1”的IP地址255.255.255.255，也是广播地址，但255.255.255.255代表所有主机，用于向网络的所有节点发送数据包。这样的广播不能被路由器转发。

如上所述，每一个网段都会有一些IP地址不能用作主机IP地址。下面来计算一下可用的IP地址。例如，B类网段172.16.0.0，有16个主机位，因此有2¹⁶个IP地址，去掉一个网络地址172.16.0.0，再去掉一个广播地址172.16.255.255，那么共有2¹⁶—2个可用地址。C类网段192.168.1.0，有8个主机位，共有256个IP地址，去掉一个网络地址192.168.1.0和一个广播地址192.168.1.255，共有254个可用主机地址。因此，可以这样计算每一个网段可用主机地址：假定这个网段的主机部分位数为n，那么可用的主机地址个数为2ⁿ—2个。

2.3.5 私有IP地址

在A、B、C类IP地址中，可供分配的IP地址资源非常有限。随着Internet的迅速发展，全球出现了IP地址危机。为了解决这个危机，Internet管理委员会规定如表2-1所示的地址段为私有地址。私有地址可以自己组网时使用，但不能在Internet上使用，Internet没有这些地址的路由，有这些地址的计算机要访问Internet必须通过NAT（网络地址转换）技术将私有地址转换成为合法的Internet地址。

表2-1 私有地址

2.3.6 子网划分

随着Internet网络的迅猛发展，再加上传统A、B、C类地址的分配不均匀以及企业内部管理的需求，需要对IP子网进行合理的规划和分配，并进行子网划分。例如，某个企业有300台主机，需要各自分配一个IP地址，如果分配一个C类的网段，则只能提供254个地址，如果分配一个B类的网段，浪费又太大。所以在这种情况下，就非常有必要进行子网划分。

（1）子网划分的基本思想

子网划分的基本思想是将IP地址划分成三级地址结构，即将原有IP地址的主机号部分借用某些位作为子网划分后的子网号，缩小主机号部分的取值范围，其结构如图2-9所示。

图2-9 子网划分三级地址结构

划分子网的子网号的位数取决于具体的需要。子网号所占的位数越多，可以分配给主机的IP地址数量就越少，也就是说，一个子网所包含的主机越少。假设一个B类网络172.16.0.0，将主机号分为两部分，其中，8bit用于主机号，那么这个B类网络就被分为256个子网，每个子网可以容纳254台主机。

（2）子网掩码的概念

当IP地址进行子网划分之后，其网络号就不能再通过类别来进行判断，为了能在子网划分之后区分出一个IP地址的网络号和主机号部分，需要使用子网掩码。

子网掩码（Subnet Mask）是一个“点分十进制”表示的32位二进制数，对于一个IP地址，其子网掩码的取值规则为对应IP地址中网络号和子网号的部分，子网掩码对应位取值为“1”；对应主机号的部分，子网掩码取值为“0”。例如，标准的A类、B类、C类地址默认的子网掩码如表2-2所示。

表2-2 A、B、C类地址默认子网掩码

通常，为了表示的方便，子网掩码的表示使用“/网络号位数”的方式。例如，某IP地址为173.46.58.23，子网掩码为255.255.192.0，可以表示为173.46.58.23/18。

另外，通过一个IP地址和对应的子网掩码，可以计算该IP地址所在子网的网络地址、广播地址和该子网可用的IP地址范围。

1）通过子网掩码计算网络地址。将子网掩码和IP地址进行“按位与”操作，计算得到该子网的网络地址。例如，某IP地址为192.168.0.33，子网掩码为255.255.255.192，则该子网的网络地址为192.168.0.0，具体计算方法如图2-10所示。

图2-10 通过子网掩码计算网络地址

2）通过子网掩码计算广播地址。通过子网掩码划分出IP地址中的网络号部分，然后网络号部分不变，主机号部分全部取1，即得到广播地址，在上例中的广播地址为192.168.0.63，具体计算方法如图2-11所示。

图2-11 通过子网掩码计算广播地址

3）可用IP范围及数量。在任何子网中，网络地址为最小的IP地址，广播地址为最大的IP地址，因此该子网的可用IP地址范围为网络地址加1至广播地址减1，图2-11中的例子可用IP地址范围为192.168.0.1～192.168.0.62，该子网的可用IP数量为2⁶—2=62个。