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IP地址的分类

第6章IP地址

本章主要讲述IP地址的分类和结构，并针对IP地址的实际应用需要提出了子网的概念，详细阐述了子网编址的方法和子网划分应用技巧。

本章学习要求：

◆了解：

Ipv6的概念及发展，从Ipv4向Ipv6过渡的主要技术

◆掌握：

IP地址的类型及特殊IP地址的应用

◆掌握：

子网编址的方法和子网掩码的使用

◆掌握：

子网划分的方法

6.1IP地址概述

本节主要讲述IP地址的层次结构和分类，详细介绍了各类IP地址的特点和适用范围，并对六类特殊IP地址进行了分析，帮助读者对IP地址的使用有个较深的认识。

6.1.1IP地址类型

我们知道互联网是一个由各种不同类型和规模的独立运行、管理的计算机网络组成的全球范围的计算机网络，那么这些异种网络间是如何进行网络通信的呢？

它们之间是如何识别的呢？

诞生于上世纪70年代的TCP/IP协议通过对网络中传送的数据包进行规定格式的封装，规范了网络上的所有通信设备，统一了机器间数据交换的格式和传送方式。

在互联网上的每台主机（或路由器）都有一个唯一的标识——IP地址。

一个IP地址由网络号（netid）和主机号（hostid）构成，网络号用于标识互联网中的一个特定网络，主机号用于表示该网络中主机的一个特定连接。

目前，大多数IP编址方案仍采用Ipv4编址方案，即使用32位二进制数组成，为了方便使用，将IP地址的32位二进制分成四段，每段8位，中间用小数点隔开，然后将每八位二进制转换成十进制数，这种方法叫做点分十进制表示法。

在现实世界中，网络根据需求的不同，有的网络可能含有较多的计算机，也有的网络包含较少的计算机，于是按照网络规模的大小，IP协议将IP地址分成A、B、C、D、E五类，它们分别用IP地址的高位来区分，如图6-1所示。

图6-1IP地址的分类

用户一般只使用A、B和C类地址，每类地址表示的实际网络数和主机数要比理论的小，这是因为每类地址中都有一些特殊用途的地址。

D类IP地址用于多目的地址发送，E类IP地址供将来使用。

表6-1列出各类IP地址的特点。

表6-1各类IP地址的特点

类别

类标识

第一字节

网络地址长度

主机地址长度

最大网络数

最大主机数

适用范围

A类

0

1~126

1字节

3字节

126

大型网络

B类

10

128~191

2字节

2字节

16382

65534

中型网络

C类

110

192~223

3字节

1字节

254

小型网络

D类

1110

224~239

—

—

—

—

多点播送

E类

11110

240~247

—

—

—

—

保留地址

6.1.2特殊IP地址

互联网中有六类IP地址具有特殊的用途，不能分配给主机。

1.网络地址

当用户要表示一个网络时就要用到网络地址。

在IP地址编码方案中，网络地址由一个有效的网络号和全“0”的主机号构成。

如某主机的IP地址为168.36.12.55，这是一个B类地址，则此主机所在网络的地址为168.36.0.0。

2.直接广播地址

当用户想向互联网中某个网络中所有主机发送数据报，叫直接广播，具有这种特点的IP地址叫直播广播地址。

在IP地址编码方案中，直接广播地址由一个有效的网络号和全“1”的主机号构成。

如当互联网中的一台主机使用168.36.255.255为目标地址发送数据报时，则网络号为168.36.0.0的网络中所有主机都能收到该数据报。

3.有限广播地址

当用户想向本网中每一台主机发送数据报，叫有限广播。

有限广播将广播限制在最小的范围内，当采用标准的IP地址编码，有限广播将发生在本网络之中，若采用子网编址，有限广播将被限制在本子网中。

有限广播地址为255.255.255.255。

4.本网特定主机地址

当用户想与本网内部特定主机通信时，可通过将网络地址全部设为“0”进行简化（或不知道本网的网络地址）。

如某主机发送数据报时，其目标IP地址为0.0.136.32（B类地址），则表示该数据报要送到本网主机号为136.42的主机上。

5.回送地址

A类地址中，网络地址为127的地址用于网络软件测试或本机进程间通信。

发送到这种地址的数据报不输出到线路上，立即返回。

6.本网络本主机

全“0”的IP地址表示本网络上的本主机。

6.1.3子网掩码

IP地址使用网络号和主机号的两层地址结构，这样当大量个人用户或小型局域网接入互联网，即使分配一个C类网络地址也会造成IP地址的浪费。

因此出现了将网络进一步划分若干子网的设计，即把两层IP地址结构中的主机号细分为子网号和主机号，如图6.2所示。

图6.2子网IP地址结构

为了标识一个IP地址中的网络号、子网号、主机号，就设计了子网掩码。

子网掩码的长度也是32位，左边是网络位，用二进制数字“1”表示；右边是主机位，用二进制数字“0”表示。

如一个C类地址取主机号的两位为子网号，则掩码为11111111.11111111.11111111.11000000（255.255.255.192），子网可以产生64个可能的主机地址，但全0用于标识子网自身，全1用于子网广播，只有62个地址可用，如网络号为192.168.7，则子网IP地址范围为：

192.168.7.193~192.168.7.254。

子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。

子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络号和主机号两部分。

6.2子网编址

本节主要讲述子网编址的方法，通过学习，读者能够根据IP地址和子网掩码，明确一个IP地址的具体组成，哪些位是网络号，哪些位是子网号，哪些位是主机号。

6.2.1子网编址方法

对一个标准IP地址，通过将主机号的高位“借”出做为子网号，子网借用的主机号位数应至少2位，借出后至少要剩余2位。

B类地址最多只能用14位去创建子网，C类最多只能借用6位去创建子网。

划分子网的步骤一般为：

1.确定哪些组地址归我们使用。

比如我们申请到的网络号为“166.73.0.0”，该网络地址为B类IP地址，网络标识为“166.73”。

2.根据我们现在所需的子网数以及将来可能扩充到的子网数，用主机号的一些位来定义子网。

比如我们现在需要12个子网，将来可能需要16个。

用第三个字节的前四位确定子网，则在子网的主机号可用12位表示。

3.把对应的网络号各个位都置为“1”，标识主机号的置为“0”，则子网掩码的间断二进制形式为：

“11111111.11111111.11110000.00000000”

4.把这个数转化为间断十进制形式为：

“255.255.240.0”，这个数为该网络的子网掩码。

6.2.2子网地址和子网广播地址

与标准的IP地址一样，子网编址也保留了子网网络和子网广播的地址编号。

在子网编址中，以二进制全“0”结尾的IP地址表示子网，二进制全“1”结尾的IP地址表示子网广播。

如有一个C类网络：

200.110.26.0，可以借用主机号的3位来划分子网，其中子网号、主机号范围、可容纳的主机数、子网地址、子网广播地址如表6.2所示：

表6.2一C类网络的子网划分

子网

子网号

子网IP

主机号

标准IP

主机号

可容纳

主机数

子网地址

广播地址

第1个子网

001

00001~11110

.33~.62

30

200.110.26.32

200.110.26.63

第2个子网

010

00001~11110

.65~.94

30

200.110.26.64

200.110.26.95

第3个子网

011

00001~11110

.97~.126

30

200.110.26.96

200.110.26.127

第4个子网

100

00001~11110

.129~.158

30

200.110.26.128

200.110.26.159

第5个子网

101

00001~11110

.161~.190

30

200.110.26.160

200.110.26.191

第6个子网

110

00001~11110

.193~.222

30

200.110.26.192

200.110.26.223

为了与标准IP编址一致，二进制全“0”或全“1”的子网号也不能分配给实际的子网，所以在规划子网时应去掉这两个号。

在标准IP编址中全为“1”的IP地址（255.255.255.255）为有限广播地址，若在子网中使用该广播地址，广播将被限制在本子网中。

6.2.3子网表示方法

标准的IP地址，通过网络号就能确定网络类别，对子网编址，我们则采用子网掩码来标识。

前面已经讲过，子网掩码的长度与IP地址长度一样，也是用32位二进制表示。

在子网掩码中，与IP地址的网络号和子网号对应的位用“1”表示，与主机号对应的位用“0”表示。

将IP地址与子网掩码相结合，就可以判断出一个IP地址中哪些位表示网络号和子网，哪些位表示主机号了。

如我们通过查看一台主机的连接属性，看到图6.3：

图6.3主机IP地址

IP地址为192.168.7.21，子网掩码为：

255.255.255.240。

将IP地址和子网掩码转换为二进制后如图6.4所示

图6.4子网掩码

通过比较IP地址和子网掩码，借用了IP地址第4个字节的前4位表示子网，后4位表示主机，所以其网络号为：

192.168.7，子网号为：

1（0001），主机号为：

5（0101）。

6.3子网编址实例分析

本节主要讲述如何根据实际需求对网络进行子网规划和配置，并提出在子网规划中应注意的事项。

6.3.1子网规划

在网络规划中，子网的规划和IP地址分配占有举足轻重的地位。

当选择子网号和主机号时，要考虑到子网号能产生足够的子网，每个子网中能够容纳足够的主机。

如用户申请到一个C类网络地址193.168.100.0，需要在该网络中划分出5个子网，怎么办呢？

如果用主机号中的2位表示子网号，能划出4个子网，借用3位能划出8个子网，借用4位能划出16个子网，除去全0和全1，分别能划出2、6、14个子网，现在要求划分出5个子网，所以向主机号借用3位即可满足。

表6.3C类网络子网划分关系

子网借用主机位数

子网掩码

子网数

每子网容纳主机数

2

255.255.255.192

2

62

3

255.255.255.192

6

30

4

255.255.255.192

14

14

5

255.255.255.192

30

6

6

255.255.255.192

62

2

这样可用的子网号是001、010、011、100、101和110（注意000和111除外）。

主机号中就余5位来标识了，每一子网中共有32个主机号，其中30个可用，即每个子网最多有30台主机。

子网掩码为：

11111111.11111111.11111111.11100000（255.255.255.224）

子网地址：

11000001.10101000.01100100.00100000（193.168.100.32）主机号：

33~62

子网地址：

11000001.10101000.01100100.00100000（193.168.100.64）主机号：

65~94

子网地址：

11000001.10101000.01100100.00100000（193.168.100.96）主机号：

97~126

子网地址：

11000001.10101000.01100100.00100000（193.168.100.128）主机号：

129~158

子网地址：

11000001.10101000.01100100.00100000（193.168.100.160）主机号：

161~190

子网地址：

11000001.10101000.01100100.00100000（193.168.100.192）主机号：

193~222

需要注意的是：

1.该网络原可以使用254台主机，通过划分出6个子网后，最多只能使用180台主机。

2.在进行子网互联时，路由器也需要占用有效的IP地址，因此，在计算网络中（或子网中）需要使用的IP地址时，不要忘记连接该网络（或子网）的路由器。

6.3.2局域网划分子网

在实践中，有时会将一个物理网络划分成几个小规模的子网，如在一个公司，根据职能部门划分出多个逻辑上独立的子网，由于没有路由器的转发，子网之间的主机不能相互通信。

如分配给该网络的网络地址是192.168.7.0，这是一个C类地址，我们以最后一个字节的前4位表示子网号，后4位表示主机号，这样子网掩码为255.255.255.240，可以分出14个子网，每个子网最多有14台主机。

表6.4192.168.7.0在掩码为255.255.255.240时的地址分配表

子网

IP地址范围

子网地址

直接广播

有限广播

1

192.168.7.17~.30

192.168.7.16

192.168.7.31

255.255.255.255

2

192.168.7.33~.46

192.168.7.32

192.168.7.47

255.255.255.255

3

192.168.7.49~.62

192.168.7.48

192.168.7.63

255.255.255.255

4

192.168.7.65~.78

192.168.7.64

192.168.7.79

255.255.255.255

5

192.168.7.81~.94

192.168.7.80

192.168.7.95

255.255.255.255

6

192.168.7.97~.110

192.168.7.96

192.168.7.111

255.255.255.255

7

192.168.7.113~.126

192.168.7.112

192.168.7.127

255.255.255.255

8

192.168.7.129~.142

192.168.7.128

192.168.7.143

255.255.255.255

9

192.168.7.145~.158

192.168.7.144

192.168.7.159

255.255.255.255

10

192.168.7.161~.174

192.168.7.160

192.168.7.175

255.255.255.255

11

192.168.7.177~.190

192.168.7.176

192.168.7.191

255.255.255.255

12

192.168.7.193~.206

192.168.7.192

192.168.7.207

255.255.255.255

13

192.168.7.209~.222

192.168.7.208

192.168.7.223

255.255.255.255

14

192.168.7.225~.238

192.168.7.224

192.168.7.239

255.255.255.255

在子网规划好后，就可以进行主机配置了。

1.在任务栏中选择本地连接的图标点鼠标右键，选择打开“网络连接”，在“本地连接”上选择“属性”，或者从“开始”→“设置”→“控制面板”→“网络和拔号连接”→“本地连接”→“属性”，进入“本地连接属性”对话框，如图6.5所示：

图6.5“本地连接属性”对话框

2.选中“此连接使用下列选定的组件”列表中的“Internet协议（TCP/IP）”，单击“属性”按钮，进行TCP/IP配置，如图6.6所示：

图6.6Internet协议（TCP/IP）属性

3.按IP地址分配方案，设置计算机IP地址，分别填入IP地址和子网掩码后，如图6.7所示，单击“确定”返回“本地连接属性”界面。

图6.7配置IP地址和子网掩码

4.通过单击“本地连接属性”界面中的“确定”按钮，完成配置。

5.在命令提示符中运行ipconfig命令查看网络的IP地址、子网掩码等配置情况。

6.4IPv6

本节主要介绍Ipv6的来源和发展，并对IPv6和IPv4进行了比较，最后对IPv6的寻址方式和从IPv4向IPv6过渡的主要技术进行了一个简单阐述。

6.4.1Ipv6的基本概念

现有互联网是在IPv4协议的基础上运行。

随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将影响互联网的进一步发展。

IPv4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，估计在2005～2010年间将被分配完毕。

IPv6是InternetProtocolVersion6的缩写，其中InternetProtocol译为“互联网协议”。

IPv6是IETF（互联网工程任务组，InternetEngineeringTaskForce）设计的用于替代现行版本IP协议（IPv4）的下一代IP协议。

IPv6采用128位地址长度，按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球每平方米面积上可分配1000多个地址。

在IPv6的设计过程中还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题。

如果说IPv4实现的只是人机对话，而IPv6则扩展到任意事物之间的对话，它不仅可以为人类服务，还将服务于众多硬件设备，如家用电器、传感器、远程照相机、汽车等，它将是无时不在，无处不在的深入社会每个角落的真正的宽带网。

而且它所带来的经济效益将非常巨大。

　1.与IPV4相比，IPV6具有以下几个优势：

（1）IPv6具有更大的地址空间。

IPv4中规定IP地址长度为32，即有232-1个地址；而IPv6中IP地址的长度为128，即有2128-1个地址。

（2）IPv6使用更小的路由表。

IPv6的地址分配一开始就遵循聚类（Aggregation）的原则，这使得路由器能在路由表中用一条记录（Entry）表示一片子网，大大减小了路由器中路由表的长度，提高了路由器转发数据包的速度。

（3）IPv6增加了增强的组播（Multicast）支持以及对流的支持（FlowControl），这给网络上的多媒体应用提供了长足发展的机会，为服务质量（QoS，QualityofService）控制提供了良好的网络平台。

（4）IPv6加入了对自动配置（AutoConfiguration）的支持。

这是对DHCP协议的改进和扩展，使得网络（尤其是局域网）的管理更加方便和快捷。

（5）IPv6具有更高的安全性。

在使用IPv6网络中用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，极大的增强了网络的安全性。

　　2.IPv6寻址

　　在IPv6中，可使用以下三种形式表示IP地址：

（1）冒号十六进制形式

　　这是首选形式n:

n:

n:

n:

n:

n:

n:

n，由八个16位地址元素组成，每个地址元素用十六进制值表示。

例如：

3FFE:

FFFF:

7654:

FEDA:

1245:

BA98:

3210:

4562.

（2）压缩形式

　　由于地址长度要求，地址中经常包含由零组成的长字符串。

为了简化对这些地址的写入，可以使用压缩形式。

在这一压缩形式中，多个0块的单个连续序列由双冒号符号（:

:

）表示。

此符号只能在地址中出现一次。

例如，多路广播地址FFED:

0:

0:

0:

0:

BA98:

3210:

4562的压缩形式为FFED:

:

BA98:

3210:

4562。

单播地址3FFE:

FFFF:

0:

0:

8:

800:

20C4:

0的压缩形式为3FFE:

FFFF:

:

8:

800:

20C4:

0。

环回地址0:

0:

0:

0:

0:

0:

0:

1的压缩形式为:

:

1。

未指定的地址0:

0:

0:

0:

0:

0:

0:

0的压缩形式为:

:

。

（3）混合形式

　　此形式组合IPv4和IPv6地址。

在此情况下，地址格式为n:

n:

n:

n:

n:

n:

d.d.d.d，其中每个n都表示六个IPv6高序位16位地址元素之一的十六进制值，每个d都表示IPv4地址的十进制值。

6.4.2由IPv4向IPv6过渡

美国国防部因为IPv6在安全方面的优势而大力支持它。

其在2003年7月宣布，在2008财年，将全部完成向IPv6的转移；同年10月宣布，所有开发、生产、采购的网络资产都必须过渡到IPv6。

在向IPv6转移方面，中国走到了前列。

2004年12月17日，中国第一个下一代Internet暨中国下一代Internet示范工程核心网（CERNET2）正式开通，这是世界上规模最大的纯IPv6Internet。

对于商业用户和传统的消费者，连接到网上的设备和应用的数量是不可预测的。

IPv6扩大了家庭网络的应用空间，包括应用管理、多媒体娱乐设备和家庭安全。

这些应用特别是家庭安防设施需要端到端的身份识别与数据加密。

拥有IPv6，DSL和Cablemodem用户可以建立自己的家庭网络，可以远程安全地监视和控制家庭网络设备。

为了实现从IPv4向IPv6的过渡，人们已经根据不同应用情况，设计了多种过渡技术和解决方案，大致分为以下三类：

1.IPv4/IPv6双栈技术。

IPv4/IPv6双栈技术是最主要的过渡机制。

在网络一侧的接入服务器上实现双栈，成为IPv4与IPv6的接入点，使终端接入IPv4与IPv6服务，以免在网络中使用额外的翻译器。

2.隧道技术。

隧道技术在一端把IPv6包封装为IPv4包的数据内容，然后在另一端解封复原成IPv6包。

隧道要求在封装/解封的节点上有IPv4/IPv6双栈能力。

这可能是未来采用最多的一种方式。

3.翻译器技术。

翻译器是一个处在纯IPv4终端和纯IPv6终端之间的部件，它可使这些终端之间能直接进行通信，且不需要对终端进行任何修改。

思考题：

1.简述IP地址的结构、格式和分类。

2.设一个主机的IP地址为192.168.7.121，而子网掩码为255.255.255.248，请写出该主机的网络号、子网号、主机号。