電腦網路之IP地址

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IP地址的分類

整個的網際網路就是一個單一的、抽象的網路。IP地址就是給網際網路上的每一個主機（或路由器）的每一個介面分配一個在全世界範圍內唯一的32位的標識符。

所謂分類的IP地址，就是將IP地址劃分為若干固定類，每一類地址都由兩個固定長度的欄位組成，其中一個欄位是網路號 net-id，它標誌主機（或路由器）所串連到的網路，一個網路號在整個網際網路範圍內必須是唯一的。而另一個欄位則是主機號 host-id，它標誌該主機（或路由器），一個主機號在它前面的網路號所指明的網路範圍內必須是唯一的。由此可見，一個IP地址在整個網際網路範圍內是唯一的。

 

由於一個路由器至少應當串連到兩個網路（這樣它才能將 IP 資料報從一個網路轉寄到另一個網路），因此一個路由器至少應當有兩個不同的 IP 位址。

用轉寄站或橋接器串連起來的若干個區域網路仍為一個網路，因此這些區域網路都具有同樣的網路號。

路由器只根據目的站的IP 位址的網路號進行路由選擇。

 

兩級的 IP 位址可以記為：

IP 位址 ::= { <網路號>, <主機號>}      

中的A類、B類、C類地址都是單播地址（一對一通訊），是最常用的。

網路號欄位的最前面有1-4位的類別位，A類、B類、C類地址的類別位分別為0、10、110。

為了提高可讀性，我們常常把32位的IP地址中的每8位用其等效的十進位數字表示。

A類地址的網路號欄位佔一個位元組，只有7位可供使用（第一位已固定為0），但是可指派的網路號是126個（27-2），減2的原因：第一，IP地址中全為0的地址是個保留地址，表示“本網路”；第二，網路號為127（01111111）保留作為本地軟體環回測試本主機的進程間的通訊。

A類地址的主機號佔3位元組，因此每一個A類網路中的最大主機數是224-2。減2的原因：第一，全為0的主機號欄位表示該IP地址是本主機所串連到的單個網路地址，第二，全為1的主機號欄位表示該網路上的所有主機。

B類地址的網路號欄位有2位元組，但是前兩位已經固定為10，只剩下14位可以進行分配，因為前面兩位是10，不會出現全為0或全為1的網路號，但實際上，B類網路地址128.0.0.0是不指派的。所以最大網路數為214-1。最大主機數為216-2。

C類地址有3位元組的網路號欄位，前三位固定位110，還有21位可以進行分配。但實際上192.0.0.0是不指派的，因此C類地址可指派的網路總數為221-1，最大主機數為28-2。

IP地址與硬體地址

硬體地址是資料連結層和物理層使用的地址，而IP地址是網路層和以上各層使用的地址，是一種邏輯地址。

發送資料時，資料從高層下到地層，然後才到通訊鏈路上傳輸。使用IP地址的IP資料報一旦交給了資料連結層，就被封裝成了MAC幀。MAC幀在傳送時使用的源地址和目的地址都是硬體地址，這兩個硬體地址都寫在MAC幀的首部。

串連在通訊鏈路上的裝置在接受MAC幀時，其根據是MAC幀首部中的硬體地址。在資料連結層看不見隱藏在MAC幀的資料中的IP地址。只有在剝去了MAC幀的首部和尾部後把MAC層的資料上交給網路層後，網路層才能在IP資料報的首部中找到源IP地址和目的IP地址。

劃分子網

一個擁有許多物理網路的單位，可將所屬的物理網路劃分為若干個子網(subnet)。劃分子網純屬一個單位內部的事情。單位對外仍然表現為一個網路。

劃分子網的方法是從主機號借用若干個位作為子網號 subnet-id，而主機號 host-id 也就相應減少了若干個位。於是兩級IP地址在本單位內部就變為三級IP地址：網路號、子網號和主機好。

IP地址 ::= {<網路號>, <子網號>, <主機號>}      

凡是從其他網路發送給本單位某個主機的 IP資料報，仍然是根據 IP 資料報的目的網路號 net-id，先找到串連在本單位網路上的路由器。然後此路由器在收到 IP 資料報後，再按目的網路號 net-id 和子網號 subnet-id 找到目的子網。最後就將 IP 資料報直接交付目的主機。

下面通過一個例子來展示劃分子網的方法與效果。

表示某單位擁有一個B類IP地址，網路地址是145.13.0.0（網路號是145.13）。

現把中的網路劃分為三個子網，這裡假定子網號佔用8位，因此主機號只剩8位。所劃分的子網分別是：145.13.3.0、145.13.7.0、145.13.21.0。

劃分子網後，整個網路對外仍表現為一個網路，其網路地址仍為145.13.0.0，但是路由器R1在收到外來的資料報後，再根據資料報的目的地址把它轉寄到相應的子網。

假定有一個資料報的目的地址是145.13.3.10已經到達路由器R1，那麼這個路由器如何把它轉寄到子網145.13.3.0呢？這就需要藉助子網路遮罩（subnetmask）來實現了。

路由器會把子網路遮罩和收到的資料報地址的目的IP地址145.13.3.10進行按位“與”操作，得出所要找的子網的網路地址。

子網路遮罩與IP地址進行“與”操作之後，就將主機號“過濾”掉了，只剩下了網路號與子網號。

實際上，網際網路的標準規定：所有網路必須使用子網路遮罩。即便一個網路沒有劃分子網，也要使用預設子網路遮罩。預設子網路遮罩中1的位置和IP地址中的網路號欄位正好相對應，因此，兩者進行“與”操作後，就能得出該IP地址的網路地址。A類、B類、C類地址的預設子網路遮罩是固定的：

例，已知 IP 位址是141.14.72.24，子網路遮罩是 255.255.192.0。試求網路地址。

 

應當注意，劃分子網後，路由表必須包含以下三項內容：目的網路地址、子網路遮罩和下一跳地址。

 

在劃分子網的情況下路由器轉寄分組的演算法：

(1) 從收到的分組的首部提取目的IP 位址 D。

(2) 先用各網路的子網路遮罩和 D逐位相“與”，看是否和相應的網路地址匹配。若匹配，則將分組直接交付。否則就是間接交付，執行(3)。

(3) 若路由表中有目的地址為 D的特定主機路由，則將分組傳送給指明的下一跳路由器；否則，執行(4)。

(4) 對路由表中的每一行的子網路遮罩和 D 逐位相“與”，若其結果與該行的目的網路地址匹配，則將分組傳送給該行指明的下一跳路由器；否則，執行(5)。

(5) 若路由表中有一個預設路由，則將分組傳送給路由表中所指明的預設路由器；否則，執行(6)。

(6) 報告轉寄分組出錯。

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