IP 地址基礎知識大全

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有小夥伴問：爲什麼沒有配置 IP 地址就無法上網？IP 協議又是啥？

這要從 TCP/IP 協議說起，互聯網使用的是 TCP/IP 協議，其中 IP 協議又是最重要的協議之一。IP 協議是基於 IP 地址將數據包發送給目的主機，能夠讓互聯網上任何兩臺主機進行通信。

網絡層通信

網絡層

IP 的作用

數據如何傳輸到目的地？

小美的旅行

小美如果只有行程表，沒有車票，就無法乘坐交通工具到達目的地。相反，小美只有車票，不知道坐什麼車，在哪裏換乘，恐怕也到不了目的地。只有兩者兼備，既有某個區間的車票又有整個旅行的行程表，才能保證到達目的地。網絡中也需要數據鏈路層和網絡層協同工作，才能實現最終目的地址的通信。

IP 地址的基礎知識

在 TCP/IP 通信中使用 IP 地址識別主機和路由器。IP 地址是邏輯地址，需要手工配置或自動獲取，爲了保證正常通信，每個設備必須配置 IP 地址。

IP 地址

IP 地址的定義

IP 地址由 32 位二進制數組成。爲了方便記錄，將 32 位的 IP 地址分爲 4 組，每 8 位爲一組，每組以 “.” 隔開，再將每組數轉換爲十進制數。

IP 地址表示方法

IP 地址一共有多少個？

將 IP 地址的 32 位二進制進行計算，得出約 43 億個 IP 地址。

IP 地址數量

實際上，網絡的發展超乎想象，互聯網上的設備遠超 43 億， 2019 年 11 月 25 日全球的 IPv4 地址已經徹底耗盡，但是直到現在大家仍然還在用 IPv4 ，並沒有因爲地址沒了而無法上網。是因爲除了 IPv6 之外，我們使用 NAT 技術緩解了地址不足的問題。

IP 地址的組成

IP 地址由網絡號（網段地址）和主機號（主機地址）兩部分組成。

IP 地址組成

網絡號是設備所在區域的一種標識，網絡號相同的設備位於同一個網段內，網絡號不同的設備通過路由器實現通信。主機號是在同一個網段中不同設備的標識，不允許同一個網段內出現重複的主機號。

IP 地址配置舉例

路由器是根據目的 IP 地址的網絡號進行路由。

路由器轉發原理

那麼 IP 地址哪幾位是網絡號？哪幾位是主機號？早期是以分類地址區分，現在是以子網掩碼區分。

IP 地址的分類

IP 地址分爲四類，分別是 A 類、 B 類、 C 類、 D 類（還有一個保留的 E 類）。

分類地址

A 類地址

A 類 IP 地址是首位以 “0” 開頭的地址。從第 1 位到第 8 位是它的網絡號，網絡號的範圍是 0 ~ 127 。其中 0 和 127 被保留，因此有 126 個可用的 A 類地址。

A 類地址網絡號

後 24 位是主機號，一個 A 類地址的主機地址數量就是 2 的 24 次方，即 16777216 個主機地址。

A 類地址主機號

B 類地址

B 類 IP 地址是前兩位以 “10” 開頭的地址。從第 1 位到第 16 位是它的網絡號，網絡號的範圍是 128.0 ~ 191.255 。其中 128.0 和 191.255 屬於保留地址，因此有 16382 個可用的 B 類地址。

B 類地址網絡號

後 16 位是主機號，一個 B 類地址的主機地址的數量就是 2 的 16 次方，即 65536 個主機地址。

B 類地址主機號

C 類地址

C 類 IP 地址是前三位以 “110” 開頭的地址。從第 1 位到第 24 位是它的網絡號，網絡號的範圍是 192.0.0 ~ 223.255.255 。其中 192.0.0 和 223.255.255 屬於保留地址，因此有 2097150 個可用的 C 類地址。

C 類地址網絡號

後 8 位是主機號，一個 C 類地址的主機地址的數量就是 2 的 8 次方，即 256 個主機地址。

C 類地址主機號

D 類地址

D 類 IP 地址是前四位以 “1110” 開頭的地址。從第 1 位到第 32 位是它的網絡號，網絡號的範圍是 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 。D 類地址沒有主機號，用於組播。

網段地址和廣播地址

當主機號全爲 0 時，表示的是網段信息，非主機地址。當主機號全爲 1 時是廣播地址，也不是主機地址。因此在分配 IP 地址過程中，需要排除這兩個地址。例如一個 C 類地址 192.168.1.0/24 最多隻有 254 個可用主機地址，而不是 256 個。

網段地址和廣播地址

廣播地址

IP 地址中的主機號全部爲 1 的就是廣播地址，它是向同一個網段中的所有主機發送數據包。例如一個 B 類主機地址 172.20.1.100 的廣播地址是 172.20.255.255 。

廣播地址

IP 組播

組播用於將包發送給特定組內的所有主機。

組播

組播使用 D 類地址。因此 IP 地址前四位是 “1110” 開頭的，就是組播地址。剩下的 28 位就是組播的組編號。組播的地址範圍是 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 ，其中 224.0.0.0 ~ 224.0.0.255 既可以在同一個網段內實現組播，又可以跨網段給全網所有組員發送組播包。

組播地址格式

子網掩碼

早期網絡地址採用固定網絡位長度的方式，使 IPv4 地址遭到大量浪費。如今網段地址的長度可變，同時也需要一種標識來獲取網段地址，以便路由器對數據包進行轉發，這種識別碼就是子網掩碼。

子網掩碼用 32 位的二進制表示， IP 地址的網段地址部分設置爲 1 ， IP 地址的主機地址部分設置爲 0 。換句話說， IP 地址有多少位網段地址，子網掩碼就有多少位取 1 ，其餘都取 0 。爲了方便記錄，每 8 位爲一組，以 “.” 隔開，再轉換爲十進制數。

例如：201.20.100.25 的子網掩碼是 255.255.255.0 ，算出它的網段地址。

子網掩碼

將子網掩碼和 IP 地址進行與（ AND ）運算，可得到這個 IP 地址的網段地址。

與運算

與（ AND ）運算

IP 地址和子網掩碼的二進制數，分別進行計算。只有當 IP 地址和掩碼都是 1 時，運算結果爲 1 。其餘情況計算結果都爲 0 。

AND 運算

IP 地址的另一種表示方式是在每個 IP 地址後面追加網絡號的位數用 “ / ” 隔開。例如：201.20.100.25/255.255.255.0 可表示爲 201.20.100.25/24 。

CIDR 與 VLSM

解決 IP 地址浪費問題，除了使用子網掩碼，還使用了 CIDR 和 VLSM 技術。

CIDR ，即無類域間路由，採用任意長度分割 IP 地址的網絡號和主機號。它有兩個作用：

CIDR 應用

VLSM ，即可變長子網掩碼，它可以對 A 、 B 、 C 類地址再進行子網劃分，以達到充分利用 IP 地址的目的。

假如一家企業有 100 臺電腦，按以前的辦法，只能分配一個 C 類地址 222.222.222.0 。但是 VLSM 可以在一個 C 類地址上劃分出多個子網地址，再分配其中一個容納主機數量與稍大於企業需求數量的子網地址給企業，這樣就可以實現 IP 地址的合理使用。

計算子網容量

子網地址劃分

CIDR 和 VLSM 的區別

CIDR 是主機號向網絡號借位，目的是把幾個網絡彙總成一個大的網絡，增加子網主機數量；

VLSM 是網絡號向主機號借位，目的是把一個標準的網絡劃分成幾個子網，減少子網主機數量。

公網地址與私有地址

IP 地址分爲公網地址和私有地址。公網地址是在互聯網上使用的，私有地址是在局域網中使用的。

公網地址由 Internet NIC 負責分配，通過它直接訪問互聯網。

公網地址範圍

私有地址是一段保留的 IP 地址。只在局域網中使用，無法在互聯網上使用。但是私有地址可以通過 NAT 技術，將私有地址轉換爲公網地址接入互聯網。

私有地址範圍

公網 IP 地址在互聯網範圍內是唯一的，私有 IP 地址只要在同一個局域網內唯一即可。在不同局域網內出現相同的私有 IP 不會影響使用。

參考資料：

圖解 TCP/IP - 竹下隆史

TCP/IP 詳解 卷 1：協議 - W·Richard Stevens

網絡基礎 - 田果

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/zakHN1UvD4ybu-ByFBAsrQ

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