TCP/IP协议(1): IP 地址和寻址方式 —— IP 协议的基础

最近在重学计算机网络，给自己立一个 flag，有感而发的时候写关于 TCP/IP 协议栈的系列博客。

IP 地址

IP 地址(Internet Protocol address, IP address) 在 TCP/IP 协议栈中，起着至关重要的作用。IP 地址 不仅能唯一标识与之关联的主机，还能够指出该主机在网络中的位置，以方便我们在网络中找到该主机。

“它(IP 地址)是一个名字，标识出我们(在网络中)寻找的是什么。它也是一个地址，告诉我们要找的网络设备在网络中的哪个位置。他还是一个路线，指出我们可以如何到达与之关联的网络设备的位置。”
(“A name indicates what we seek. An address indicates where it is. A route indicates how to get there.”)

IPv4(Internet Protocol version 4) 地址

IPv4 最早在 ARPANET 中使用，如今已经在几乎所有的互联网使用。
IPv4 的地址由 32 位的非负整数表示， 通常用所谓的**点分十进制(Dot-decimal notation)**表示法表示。
<stron>表示法将 IPv4 地址用点分成四份，每份八位。然后将每个八位转换成十进制非负整数。
如下表：</stron>

IPv6(Internet Protocol version 6) 地址

在 Internet 发展早期，加入网络的网络设备数量较少， 32 位的 IPv4 地址足以应付。
但，随着近些年 Internet 的高速发展，加入的网络设备越来越多，加之 IPv4 地址不合理的分配方式，可分配 IPv4 地址越来越少。
正是由于上述原因，IETF(Internet Engineering Task Force) 提出了 IPv6 协议。

IPv6 的地址长度为 128 位，由八个被称之为块或字段的四个十六进制数表示。如，5f05:2000:80ad:5800:0058:0800:2023:1d71。

本文主要是对 IPv4 的讲解。

IPv4 的编址方式

IPv4 地址的编址方式共经历了三个历史阶段：

• 分类寻址 将 IP地址 划分为五类。IP 地址 由网络号(net-id) 和主机号(host-id) 组成。路由器仅根据目的主机的网络号来转发分组，从而减小路由表所占用的存储空间以及查找路由表的时间。

A classful network is a network addressing architecture used in the Internet from 1981 until the introduction of Classless Inter-Domain Routing in 1993.

• 划分子网：这是对原始的 分类寻址 的改进，将原始的分类寻址进一步的划分。将之前的主机号 进一步划分为 子网号(subnet-id) 和 主机号，从而提高 IP地址 的利用率。
  
• 无类别域间路由：消除了传统的 A 类, B 类, C类地址以及划分子网的概念，因而更有效地分配 IPv4 的地址。

分类网络(classful network)

传统的 IP 地址被划分为五类：

• IP 地址管理机构在分配 IP地址 时，分配网络号，而剩下的主机号由得到该网络号的单位自行分配。从而方便管理。
• 路由器仅根据目的主机的网络号来转发分组，从而减小路由表所占用的存储空间以及查找路由表的时间。
• 主机号为全 0 的地址为子网的网络号，主机号 为全 1 的地址为子网的广播地址， 都不能被指派。

子网划分(subnetting): 分类网络的改进

可以看出，两级 IP 地址 不够灵活, 对 IP 地址空间的利用率比较低。如, C 类地址的局域网最多分配 254 个主机号, B 类地址的局域网最多分配 65534 个主机号。如果有个单位有 255 台主机，则只能为其分配一个 B 类地址的 网络号。这样就会浪费很多 IP 地址。

子网划分 将之前的主机号 进一步划分为 子网号(subnet-id) 和 主机号，从而提高 IP地址 的利用率。

RFC950 规定， 对分类的 IPv4 地址进行划分时，子网号 不能为全 0 或全 1；

在子网网络中保留和扩展这些特殊地址的解释(全 0 = this, 全 1 = all)， 这就意味着不应该将子网号为全 0 或全一的 IP 地址分配给实际子网。
( It is useful to preserve and extend the interpretation of these special addresses in subnetted networks. This means the values of all zeros and all ones in the subnet field should not be assigned to actual (physical) subnets.)

但随着无类别域间路由的广泛使用，现在全 0 和全 1 的子网号也可以使用。

• 子网掩码寻址
  子网掩码是一个与 IP 地址相对应的 32 位二进制串。它由一串 0 和跟随的一串 1 组成。其中，1 对应于 IP 地址 的网络号和子网号，而 0 对应于主机号。如 A 类地址用掩码表示为 255.0.0.0， B 类 地址用掩码表示为 255.255.0.0， C 类地址用掩码表示为 255.255.255.0。

路由器将子网掩码和目标地址进行按位与操作，从而得到目标网络的网络号和子网号， 进而将数据包发送到相应的网络中去。

上图的例子解释了子网划分后到达 145.13.21.5 的数据包的传输:
（1） 在第一级网络中时。各路由器用 B 类地址的掩码 255.255.0.0 和 145.13.21.5 按位相与得到网络号 145.13.0.0。然后传递过程中遇到的路由器都将该数据包传输给 145.13.0.0 网络。
（2）在数据包到达 145.13.0.0 网络中后。145.13.0.0 网络通过子网掩码 255.255.255.0 将该网络划分为多个子网。145.13.0.0 网络中的路由器用划分子网的掩码 255.255.255.0 和 145.13.21.5 按位相与得到网络号和子网号 145.13.21.0。然后 145.13.0.0 网络内的路由器将该数据包传输给 145.13.21.0 子网。
（3） 在数据包到达 145.13.21.0 子网后。145.13.21.0 子网的路由器将数据包传输给目的主机 145.13.21.5。

• 可变长度子网掩码寻址(VLSM, Variable-Length Subnet Masking)
  上一 part 的例子中, 145.13.0.0 网络用子网掩码 255.255.255.0 将该网络分为多个子网，但是，每个子网的最大可用主机号都是固定的(254 个)。而实际工作中，根据需求不同，各个子网的规模也不同，有的子网可能只需要几个主机号，而有的子网则可能需要成千上万个主机号，这就需要更灵活的分配方式来处理。

  可变长度子网掩码 允许将网络划分为不同大小的子网， 每个主机和路由器端口除了分配一个 IP 地址，还需要配置一个子网掩码，以确定其所在子网的规模。

###无类别域间路由 (CIDR, Classless Inter-Domain Routing)

无类别域间路由 在可变长度子网掩码寻址的基础上，消除了传统的 A、B、C 类网络划分。和其他相关协议一起构成所谓的 超网(Supernetwork)。

CIDR 将 IP 地址分为网络前缀(network-prefix) 和主机号 两部分。使用 CIDR 记法(IP 地址后面加上斜线，然后写上网络前缀所占位数)记录 IP 地址。如：128.14.35.7/20。

当一个单位需要 10 个主机号的 IP 地址时， 就只需给他分配一个 /12 (子网掩码为 255.255.255.240)的 CIDR 地址块，如， 128.14.32.0/12 到 128.14.32.15/12 地址块。分配到该地址块的单位根据实际情况的需要，可以继续将这个地址块划分成更小的子网。

私有网络(private network)地址

参考文献

• IP address - Wikipedia
• IPv4 - Wikipedia
• Dot-decimal notation - Wikipedia
• IPv6 - Wikipedia
• Classful network - Wikipedia
• Classless Inter-Domain Routing - Wikipedia
• Subnetwork - Wikipedia
• Supernetwork - Wikipedia
• private network - Wikipedia
• RFC950: Internet Standard Subnetting Procedure
• W.Richard Stevens等著,《TCP/IP 详解(卷一: 协议)》
• 谢希仁编著, 《计算机网络》