因特网IP地址的使用及范围说明

因特网地址又称IP地址。它能唯一确定因特网上每台计算机、每个用户的位置。IP地址为连接在因特网上的主机分配一个全世界唯一的32bit的标识符，让我们可方便地在因特网上寻找因特网IP地址。

IP地址由因特网名字与号码指派公司（Internet Corporation for Assigned Names and Numbers，ICANN）进行分配。我国用户可向亚太网络信息中心（Asia Pacific Network Information Center，APNIC）申请IP地址。

1.IP地址的结构与分类

在TCP/IP中，规定分配给每台主机一个32bit作为该主机的IP地址。在因特网上发送的每个数据报都包含一个32bit的发送方地址（源地址）和一个32bit的接收方地址（目的地址）。每个IP地址又由两部分组成：网络标识netid和主机标识hostid。网络标识确定了该台主机所在的物理网络；主机标识确定了在某物理网络上的主机。IP地址中的网络字段和主机字段如图4-54所示。

（1）IP地址具有两个重要特性：

1）每台主机分配了一个唯一的地址。

2）网络标识号的分配必须全球统一。但主机号可由本地分配，不需全球统一。

由于因特网上的各个网络规模大小有很大区别，有的网络拥有很多主机，另一些网络上主机则很少。为更好地满足不同用户的要求，把IP地址划分成A、B、C三类。

图4-54 IP地址中的网络字段和主机字段

A类地址分配给少数规模很大的网络，这些网络有数以百计的主机。在32bit的地址域中，网络标识号占有1个字节，它第1位为“0”时，表示是A类地址。后面的7bit可提供（2⁷-2）=126个网络号。括号中减去2的原因是netid字段中的全0为IP地址的保留地址，意为“本网络”。netid字段的127（即01111111）作为本地软件环路的返回测试（Loopback Test），作为本机使用。

A类地址中的其他24bit是主机标识号hostid。因此，A类地址的每个网路上可设置（2²⁴-2）=16777214个主机号。这里减2的原因是全“0”的hostid字段表示该IP地址是“本主机”所连接到单个网络的地址。全“1”的hostid字段表示该网络上所有的主机。

整个A类地址的空间共有2³¹=2147483648个地址。占全部IP地址空间2³²=4294967296个地址的50%。A类地址的特点是，网络号数不多，主机号数极多。现在只能申请到B类和C类的IP地址了。

B类地址的netid网络标识号占有2字节（16bit）。前面2bit（“10”）已固定作为表示B类地址的标识。后面14bit作为B类地址的网络编号，共有2¹⁴=16348个网络号数。B类地址的每个网络上的最大主机数量是（2¹⁶-2）=65534个。这里减2的原因是要扣除全“0”和全“1”的主机号。

整个B类的地址空间共有2³⁰=1073741824个地址，占整个IP地址空间的25%。

C类地址的netid网络标识号占有3字节（24bit）。最前面的3bit是“110”，表示是C类地址。后面21bit为C类地址的网络号数2²¹=2097152。C类地址的每个网络上的最大主机数为（2⁸-2）=254个。整个C类的地址空间共有2²⁹=536870912个地址，占整个IP地址的12.5%。图4-55是上述三种类型IP地址的空间分布。

除上述三类IP地址外，还有两类很少使用的IP地址，即D类和E类。D类是多播地址，留给因特网体系结构研究委员会IAB使用。E类地址为保留使用地址。

图4-55 三种类型IP地址的空间分布

（2）IP地址的点分十进制记法。在主机和路由器中存放的IP地址都是32bit的二进制代码，用户很难读数和输入。为提高可读性，采用一种点分十进制记法（Dotted Decimal Notation）来表示。将32bit中的每8bit分为一组，用“·”分开，并以8bit的等值十进制数字表示。一组内的最小值为0（即8bit全为0），最大值为255（即8bit全为1），因此，32bit用点分十进制记法表示的地址范围为0.0.0.0到255.255.255.255。

图4-56是一个B类IP地址，显然128.11.3.31比10000000 00001011 00000011 00011111读起来要方便得多。

图4-56 采用点分十进制记法的IP地址

（3）IP地址的重要特点。IP地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：①IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号（第一级），剩下的主机号（第二级）则由得到该网络号的单位自行分配，这样方便了IP地址的管理。②路由器只根据目的主机所连接的网络号来转发分组，而不必考虑目的主机号，减少了路由表占用的存储空间。

IP地址的这种结构和电话号码的等级结构有相似之处，但并不完全一样。固定电话机的地区号和局号按该电话机的地理位置确定。IP地址与主机的地理位置没有这种对应关系。

当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机必须同时具有两个相应的IP地址，其网络号netid也是不同的。这种主机称为多接口主机。

用转发器或网桥连接起来的若干局域网仍为一个网络，因此这些局域网具有同样的网络号netid。在IP地址中，所有分配到网络号netid的网络都是平等的。

图4-57是三个局域网（LAN₁、LAN₂和LAN₃）通过三个路由器（R₁、R₂和R₃）互联构成的一个互联网。其中LAN₂局域网由两个网段通过网桥B互联。请注意图中各节点的IP地址有以下特点：

图4-57 互联网中的IP地址

1）同一局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须相同。

2）用网桥互联的网段仍是同一个局域网，只能有一个网络号。

3）路由器（R₁、R₂和R₃）总是具有两个或两个以上的IP地址。

4）两个路由器直接相连时，在连接线路两端的接口处可指明IP地址。

表4-11是三种IP地址的使用范围。

表4-11 三种IP地址的使用范围

2.IP地址与网卡硬件地址的区别

局域网硬件地址已固化在网卡上的只读存储器（Read Only Memory，ROM）中，因此通常把硬件地址称为物理地址。局域网的媒体访问控制（MAC）帧中的源地址和目的地址都是硬件地址，因此硬件地址又称为MAC地址。硬件地址、物理地址和MAC地址常作为同义词。

图4-58说明了IP地址与硬件地址的区别。IP地址是IP数据报的地址，放在数据报的首部。从层次角度看，IP地址是网络层及其以上各层使用的地址。

图4-58 IP地址与硬件地址的区别

发送数据时，数据从高层向下传送到低层，然后再到通信链路上传输。IP数据报一旦交给了数据链路层，就被封装成MAC帧。MAC帧在传送时使用的源地址和目的地址都是硬件地址。

通信设备（主机或路由器）是根据MAC帧首部的硬件地址接收的。在剥去MAC帧首部和尾部后再将MAC层的数据交给上面的网络层（此时MAC层的数据变成了IP数据报）。网络层才能在IP数据的首部找到源IP地址和目的IP地址。

总之，放在IP数据报首部的IP地址是网络层及以上使用的IP地址。放在MAC帧首部的硬件地址是数据链路层及以下使用的硬件地址。因此在数据链路层是看不见数据报IP地址的。

图4-59a是用两个路由器R₁和R₂连接三个局域网构成的互联网。主机H₁要与H₂通信。这两个主机的IP地址分别是IP₁和IP₂，它们的硬件地址分别为HA₁和HA₂（HA表示Hardware Address硬件地址的缩写）。它们的通信路径是：H₁→经R₁转发→再经R₂转发→H₂。路由器R₁因为同时连接到两个局域网上，因此有两个硬件地址，即HA₃和HA₄。同理，路由器R₂也有两个硬件地址HA₅和HA₆。图4-59b特别表明了IP地址和硬件地址的区别。

图4-59 从不同层面上看IP地址和硬件地址

a）网络配置 b）不同层次、不同区间的源地址和目的地址(www.xing528.com)

3.子网划分和掩码

（1）划分子网。为便于寻找互联网络中的相关网络和连接在该网络上的主机，32bit长度的IP地址分为网络标识地址netid和主机或路由标识地址hostid两部分。在传送数据时，首先利用第一部分网络标识netid找到互联网络中对应的网络，然后再根据第二部分主机标识地址hostid找到该网络上的目的主机。也就是说，A、B、C三种类型的地址结构都是两级层次结构，如图4-60所示。

现在看来，IP地址的两级层次结构设计确实还有不够合理之处，例如：

1）IP地址空间的利用率有时很低。每个A类地址网络可连接的主机数超过1000万，每个B类地址网络可连接的主机数也可超过6万。有些网络对连接在网络上的计算机数目有限制，不可能达到如此大的数量。如10Base-T以太网规定其最大节点数只有1024个，使用B类地址时，就会浪费6万多个IP地址，地址空间的利用率还不到2%，造成IP地址的浪费，使IP地址资源更早地被用光。

图4-60 两级地址结构的网络

2）如果将大量主机安装在同一个网络上往往会影响网络的性能，就有可能会发生网络拥塞。

3）每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大，使网络性能变坏。

4）无法随时增加本单位的网络，因为本单位必须事先到因特网管理机构中去申请并获得批准后，才能连接到因特网上工作。

为此，从1985年起，把两级层次的IP地址网络变成三级层次的IP地址网络。这种做法叫作划分子网（Subneting）或子网寻址或子网路由选择，并已成为因特网的标准协议。

子网划分是将一个网络进一步划分成若干个子网络（Subnet）。划分子网纯属单位内部的事情，与本单位以外的网络无关，对外仍然表现为一个大网络。子网划分的方法是从网络的主机号中借用若干比特作为子网号subnetid，而主机号也就相应减少了若干比特。于是两级的IP地址在本单位内部的网络中变成三级的IP地址，即网络号netid、子网号subnetid和主机号hostid。凡从其他网络发送给本单位网络中某个主机的数据报，仍然是根据IP数据报的目的网络号netid找到连接在本单位网络上的路由器，此路由器在收到IP数据报后，再按目的网络号netid和子网号subnetid找到目的子网，将IP数据报交付给目的主机。

图4-61是将一个网络划分成3个子网的例子。IP数据报的目的主机地址是B类地址：141.14.2.21，因特网仍将该数据报送到路由器R₁，路由器R₁将该目的地址进行解释，知道141.14这个网络在物理上已分成3个子网。

图4-61 具有3级层次结构的网络

根据IP地址中的后两个字节分别确定子网标识subnetid为2和主机标识hostid为21。这样就将IP地址改变为3级层次结构，第1级是网路标识144.14，确定网络；第2级是子网标识2，确定子网；第3级是主机标识21，确定在该子网上的主机。

图4-62是上面例子的二级地址（无子网）和三级地址（有子网）的网络地址分配的情况。

图4-62 网络IP地址的层次结构

a）无子网情况 b）有子网情况

（2）子网掩码（Mask Code）。当没有划分子网时，IP地址是两级结构，网络号字段是IP地址的“因特网部分”，主机号字段是IP地址的“本地部分”，如图4-63a所示。

划分子网后就成了三级IP地址结构，子网只是将IP地址的本地部分进行再划分，而不改变IP地址的因特网部分，如图4-63b所示。

图4-63 IP地址的各字段和子网掩码

a）两级IP地址 b）三级IP地址 c）子网掩码 d）划分子网时的网络地址 e）不划分子网的网络地址

但是如何能让计算机知道有无子网划分呢？这就是使用另一个长度也是32bit的子网掩码（Mask Code）来解决这个问题。

子网掩码和IP地址一样长，都是32bit，它由一串“1”和跟随的一串“0”组成。

子网掩码中的“1”表示与IP地址中的网络号和子网相对应的部分，子网掩码中的“0”表示与IP地址中的主机号相对应的部分，如图4-63c所示。

在IP地址划分子网的情况下，把子网掩码和划分子网的IP地址进行逐个比特相“与”（AND），便可得出主机号为全“0”的子网划分的网络地址，即＜netid＞+＜subnetid＞+全“0”的＜hostid＞，如图4-63d所示。

如果IP数据报地址为不划分子网的地址，那么子网掩码和不划分子网的IP地址进行逐个比特相“与”（AND）的结果为图6-63e所示的网络地址＜netid＞+全“0”的＜hostid＞。

这种不管有无子网都适用的子网掩码称为默认的子网掩码。显然：

A类地址的默认子网掩码是255.0.0.0，或0_XFF000000。

B类地址的默认子网掩码是255.255.0.0，或0_XFFFF0000。

C类地址的默认子网掩码是255.255.255.0，或0_XFFFFFF00。

表4-12是B类地址的子网划分选择。可以看出，若适用较少比特数的子网号，则每个子网上可连接的主机数量较大。反之，使用较多比特数的子网号，则子网的数据可以较多，但每个子网上可连接的主机数量较少。可根据网络的具体情况来选择合适的子网掩码。

表4-12 B类地址的子网划分选择（使用固定长度子网）

4.IP多播的基本概念

IP多播（Multicast）又称组播，即一对多的通信，现已成为因特网的一个热门课题。它广泛用于交互式会议、软件升级和信息交付（如新闻、股市等）。

局域网的多播是用硬件实现的。在因特网上向多个站发送同样的数据报可以有两种方法：一种是采用单播方式，每次向一个目的站发送数据报，然后连续向各目的站进行多次发送；另一种是采用图4-64中的路由器进行复制转发。主机X在进行多播时只要发送一个数据报，到了路由器R₂才进行数据报复制，然后到了R₆再复制一次。也就是说，多播数据报仅在传送路径分岔时才将数据报复制后继续转发。能够运行多播协议的路由器称为多播路由器（Multicast Router）。

在因特网上进行多播称为IP多播。最常用的两种IP多播方式如下：

（1）使用组地址多播。IP使用D类地址支持多播。D类IP地址的前缀是1110，因此地址的范围是224.0.0.0到239.255.255.255。每个D类地址标识一组主机。D类地址可用来标识有28bit的各个主机组（Host group），因此可标识2²⁸个多播组（超过2亿5千万个多播组）。显然，多播地址只能用于目的地址，而不能用于源地址。

图4-64 采用多播路由器的多播系统

（2）使用硬件进行多播。因特网是由许多网络互联起来的，其中有些是以太网，这些以太网本身就具有硬件多播能力，因此当多播数据报传送到这些以太网时，以太网就利用硬件进行多播，交付给属于该组成员的主机。以太网硬件地址字段中的第一个字节为0_X01时则为多播地址。

互联网号码分配局（IANA）拥有的以太网地址块的最高位为24bit（0_X00005E），也就是说，整个以太网硬件的地址范围为0_X00005E 000000～0_X00005E FFFFFF。IANA用其中的一半作为多播地址，因此，以太网多播地址的范围是0_X00005E 000000～0_X00005E 7FFFFF。这样，以太网中只有23bit可用作多播地址。而D类IP地址可供分配的有28bit，可见在这28bit的前5bit不能用来构成以太网硬件地址，如图4-65所示。

图4-65 D类IP地址与以太网地址的映射关系