1.2　背景知识介绍

1.2.1　IP地址

1.IP地址的概念

在了解IP地址之前，先介绍一下IP。IP是Internet Protocol的缩写，意思是“网络之间互连的协议”，也就是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。在互联网中，它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则。任何厂家生产的计算机系统，只要遵守IP就可以与互联网互连互通。正是因为有了IP，互联网才得以迅速发展成为世界上最大的、开放的计算机通信网络。因此，IP也可以叫作“互联网协议”。

IP中还有一个非常重要的内容，那就是给互联网上的每台计算机和其他设备都规定了一个唯一的地址，即IP地址（Internet Protocol Address），它是一种在Internet上给主机编址的方式，也称为网际协议地址。常见的IP地址，分为IPv4与IPv6两大类（如不特别标示，本教程所说的IP地址一般指IPv4地址）。

IP地址就像是我们的家庭住址一样，如果你要写信给一个人，你就要知道他（她）的地址，这样邮递员才能把信送到。计算机发送信息就好比是邮递员，它必须知道唯一的“家庭地址”才不至于把信送错人家。只不过我们的地址是使用文字来表示的，而计算机的地址用二进制数字来表示。好比我们的电话通信系统，在电话通信中，电话用户是靠电话号码来识别的，同样，在网络中为了区别不同的计算机，也需要给计算机指定一个连网专用号码，这个号码就是“IP地址”。

IPv4地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）。IP地址通常用“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a，b，c，d都是0到255之间的十进制整数。如：点分十进制IP地址192.168.1.1，实际上是32位二进制数11000110.10101000.00000001.00000001。

2.IP地址编址方案

根据IP地址的概念可知，IPv4地址的范围用点分十进制可表示为0.0.0.0到255.255.255.255，一共有232个IP地址。为了有效地利用这些IP地址资源，相关机构制定了IP地址编址方案，将IP地址分成了网络号和主机号两部分，设计者就必须决定每部分包含多少位。网络号的位数直接决定了可以分配的网络数（计算方法：2网络号位数-2）；主机号的位数则决定了网络中最大的主机数（计算方法：2主机号位数-2）。然而，由于整个互联网所包含的网络规模可能比较大，也可能比较小，最后选择了一种灵活的方案：将IP地址空间划分成不同的类别，每一类具有不同的网络号位数和主机号位数，即将IP地址空间划分为了A、B、C、D、E五类，其中A、B、C是基本类，D、E类作为多播和保留使用。

（1）A类IP地址

一个A类IP地址是指，在IP地址的四段号码中，第一段号码为网络号码，剩下的三段号码为本地计算机的号码。如果用二进制表示IP地址的话，A类IP地址就由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，同时网络地址的最高位必须是“0”。A类IP地址中网络的标识长度为8位，主机标识的长度为24位，A类网络地址数量较少，有126个网络，每个网络可以容纳主机数达1600多万台。A类IP地址范围为1.0.0.0到126.255.255.255。最后一个是广播地址。A类IP地址的子网掩码为255.0.0.0，每个网络支持的最大主机数为2563-2=16777214台。

（2）B类IP地址

一个B类IP地址是指，在IP地址的四段号码中，前两段号码为网络号码。如果用二进制表示IP地址的话，B类IP地址就由2字节的网络地址和2字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”。B类IP地址中网络的标识长度为16位，主机标识的长度也为16位，B类网络地址适用于中等规模的网络，有16384个网络，每个网络所能容纳的计算机数为6万多台。B类IP地址范围从128.0.0.0到191.255.255.255。最后一个是广播地址。B类IP地址的子网掩码为255.255.0.0，每个网络支持的最大主机数为2562-2=65534台。

（3）C类IP地址

一个C类IP地址是指，在IP地址的四段号码中，前三段号码为网络号码，剩下的一段号码为本地计算机的号码。如果用二进制表示IP地址，C类IP地址就由3字节的网络地址和1字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。C类IP地址中网络的标识长度为24位，主机标识的长度为8位，C类网络地址数量较多，有209万余个网络。适用于小规模的局域网络，每个网络最多只能包含254台计算机。C类IP地址范围为192.0.0.0到223.255.255.255。C类IP地址的子网掩码为255.255.255.0，每个网络支持的最大主机数为256-2=254台。

（4）D类IP地址

D类IP地址在历史上被叫作多播地址（Multicast Address），即组播地址。在以太网中，多播地址命名了一组应该在这个网络中接收到一个分组的站点。多播地址的最高位必须是“1110”，范围从224.0.0.0到239.255.255.255。

（5）E类IP地址

IP地址中凡是以“11110”开头的E类IP地址都保留用于将来和实验使用，范围从240.0.0.0到255.255.255.254。

表1-1所示为IP地址各类别网络数和主机数列表。

（6）特殊IP和私有IP

每一个字节都为0的地址（0.0.0.0）对应于当前主机。IP地址中的每一个字节都为1的IP地址（255.255.255.255）是当前子网的广播地址。IP地址中不能以十进制“127”作为开头，该类地址中数字127.0.0.1到127.255.255.255用于回路测试，如：126.0.0.1可以代表本机IP地址，用“http://126.0.0.1”就可以测试本机中配置的Web服务器。

在IP地址3种基本类型里，各保留了3个区域作为私有地址，其地址范围如下：

①A类地址：10.0.0.0～10.255.255.255

②B类地址：172.16.0.0～172.31.255.255

③C类地址：192.168.0.0～192.168.255.255

这些私有IP地址只能在某个机构或单位内部使用，无法通过网际路由与远程的主机进行连接通信。

3.下一代IP地址：IPv6

现有的互联网是在IPv4协议的基础上运行的。IPv6是下一版本的互联网协议，也可以说是下一代互联网的协议，它的提出最初是因为随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，而地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。IPv4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，在2011年2月3日IPv4已分配完毕，而IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1000多个地址。在IPv6的设计过程中除解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其他一些问题，主要有端到端IP连接、服务质量、安全性、多播、移动性、即插即用等。

与IPv4相比，IPv6主要有如下一些优势。第一，明显地扩大了地址空间。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供IP地址，从而确保了端到端连接的可能性。第二，提高了网络的整体吞吐量。由于IPv6的数据包可以远远超过64KB，应用程序可以利用最大传输单元，获得更快、更可靠的数据传输，同时在设计上改进了选路结构，采用简化的报头定长结构和更合理的分段方法，使路由器加快数据包处理速度，提高了转发效率，从而提高网络的整体吞吐量。第三，使得整个服务质量得到很大改善。报头中的业务级别和流标记通过路由器的配置可以实现优先级控制和服务质量保障，从而极大地改善了IPv6的服务质量。第四，安全性有了更好的保证。采用网际协议安全（IPSec）可以为上层协议和应用提供有效的端到端的安全保证，能提高在路由器水平上的安全性。第五，支持即插即用和移动性。设备接入网络时通过自动配置可自动获取IP地址和必要的参数，实现即插即用，简化了网络管理，易于支持移动结点。而且IPv6不仅从IPv4中借鉴了许多概念和术语，它还定义了许多移动IPv6所需的新功能。第六，更好地实现了多播功能。在IPv6的多播功能中增加了“范围”和“标志”，限定了路由范围和可以区分永久性与临时性地址，更有利于多播功能的实现。

随着互联网的飞速发展和互联网用户对服务水平要求的不断提高，IPv6在全球将会越来越受到重视。但实际上，目前并不急于推广IPv6，只需在现有的IPv4基础上将32位扩展8位到40位，即可解决IPv4地址不够的问题，这样一来可用地址数就扩大了256倍。