【TCP/IP】IP地址分類和特殊IP地址

IP地址是因特網技術中的一個非常重要的概念，IP地址在IP層實現了底層網路地址的統一，使因特網的網路層地址具有全域性唯一性和一致性。IP地址含有位置資訊，反映了主機的網路連線，使因特網進行定址和路由選擇的依據。

 

IP地址概述

地址是標識物件所處位置的識別符號。傳輸中的資訊帶有源地址和目的地址，分別標識通訊的源結點和目的結點，即信源和信宿。目的地址是傳輸裝置為資訊進行定址的依據。

不同的物理網路技術（底層網路技術）通常具有不同的編址方式，這種差異主要表現：不同的地址結構、不同的地址長度。

在一個物理網路中，每個結點都至少有一個機器可識別的地址，該地址叫作實體地址。實體地址又稱為硬體地址、MAC地址或第二層地址。實體地址有兩個特點：不一致性、不唯一性。

• 不一致性是指不同的物理網路技術採用不同的編址方式；
• 不惟一性是指不同的物理網路中的結點的實體地址可能重複。

為了保證定址的正確性，必須確保一個網路中結點地址的惟一性。另外，不同物理網路在地址編址方式上的不統一會給定址帶來極大的不便。在進行網路互聯時首先要解決的問題是物理網路地址的統一問題。

因特網是在網路級進行互聯的，因此，因特網在網路層（IP層）完成地址的統一工作，將不同物理網路的地址統一到具有全球惟一性的IP地址上，IP層所用到的地址叫作因特網地址，又叫IP地址。

因特網採用一種全域性通用的地址格式，為全網的每一個網路和每一臺主機都分配一個IP地址，以此遮蔽物理網路地址的差異。

因特網沿用了ARPANET的思想，仍然採用層次型地址。因特網由網路聯結而成，網路由主機聯結而成。這種地址體現了網路的層次結構，便於進行定址。IP地址由網路號和主機號構成。表示為：

IP-address ::= {<Network-number>, <Host-number>}

網路號（Network-number）

主機號（Host-number）

其中：網路號的長度決定了整個因特網中能容納多少網路，主機號的長度決定每個網路能容納多少臺主機。

因特網的IP協議提供了一種全因特網通用的地址格式（保證一致性），並在統一管理下進行IP地址的分配（保證惟一性），確保一個地址對應一臺因特網主機（或路由器）。 由於IP地址標識了一個主機的位置（所屬的網路），當將一臺主機從一個網路移到另一個網路時必須改變這臺主機的IP地址。（一般來說）

IPv4規定，因特網地址長度為32位元（IPv6規定地址長度為128位元）。IPv4的地址空間為2^32，即4 294 967 296個IP地址。IP地址一般用點分十進位制數表示，例如202.119.84.120。這四個用點分隔的段分別對應四個位元組。IP地址也可以用二進位制（11001010 01110111 01010100 01111000）或十六進位制表示（0XCA775478）。IP地址的二進位制表示在討論地址類別和掩碼時經常會用到，而十六進位制表示在IPv4中很少使用。

 

分類IP地址

傳統的因特網採用分類地址。IP定義了五類IP地址：A類、B類、C類、D類和E類。如下圖所示：

各類網路所佔地址空間的比例如下圖所示：

A、B和C是三個基本的類，分別代表不同規模的網路：

• A類地址：1個位元組的網路號，3個位元組的主機號，用於少量的大型網路；
• B類地址：2個位元組的網路號，2個位元組的主機號，用於中等規模的網路；
• C類地址：3個位元組的網路號，1個位元組的主機號，用於小規模的網路。

A類地址

第一個位元組的最高位固定為0，另外7位元可變的網路號可以標識128個網路（0～127），0一般不用，127用作環回地址。所以共有126個可用的A類網路。A類地址的24位元主機號可以標識1677216臺主機（2^24 =1677216）。另外，主機號為全0時用於表示網路地址，主機號為全1時用於表示廣播地址。這兩個主機號不能用來標識主機。所以，每個A類網路最多可以容納1 677 214臺主機。A類地址的第一個位元組的取值範圍為0～127。

B類地址

第一個位元組的最高2位元固定為10，另外14位元可變的網路號可以標識214=16384個網路。16位元主機號可以標識65 536臺主機，（216=65536）。由於主機號不能為全0和全1，所以，每個B類網路最多可以容納65534臺主機。B類地址的第一個位元組的取值範圍為128～191。

C類地址

第一個位元組的最高3位元固定為110，另外21位元可變的網路號可以標識221=2097152個網路。8位元主機號可以標識256臺主機(28=256)，由於主機號不能為全0和全1。所以，每個C類網路最多可以容納254臺主機。C類地址的第一個位元組的取值範圍為192～223。

D類地址

D類地址用於組播（multicasting），因此，D類地址又稱為組播地址。D類地址的範圍為224.0.0.0～239.255.255.255，每個地址對應一個組，發往某一組播地址的資料將被該組中的所有成員接收。D類地址不能分配給主機。D類地址的第一個位元組的取值範圍為224～239。

有些D類地址已經分配用於特殊用途：

224.0.0.0 是保留地址、224.0.0.1 是指本子網中的所有系統、224.0.0.2 是指本子網中的所有路由器、224.0.0.9 是指執行RIPv2路由協議的路由器、224.0.0.11是指移動IP中的移動代理。

另外，還有一些D類地址留給了網路會議：

224.0.1.11 用於IETF-1-AUDIO、224.0.1.12 用於IETF-1-VIDEO

E類地址

E類地址為保留地址，可以用於實驗目的。E類地址的範圍：240.0.0.0 ～ 255.255.255.254，E類地址的第一個位元組的取值範圍為240～255。 

在分類地址網路中每個網路佔用一個地址塊。各類網路地址塊的示例如下表所示：

各類網路地址塊的示例

類別	起始地址	結束地址	網路地址	主機地址範圍	廣播地址
A類	86.0.0.0	86.255.255.255	86.0.0.0	86.0.01-86.255.255.254	86.255.255.255
B類	188.6.0.0	188.6.255.255	188.6.0.0	188.6.0.1-188.6.255.254	188.6.255.255
C類	206.8.2.0	206.8.2.255	206.8.2.0	206.8.2.1-206.8.2.254	206.8.2.255

每個網路都要佔用兩個IP地址，一個用於標識網路，一個用於網路廣播。每個網路使用該網路地址塊的起始地址作為網路地址，該地址僅作為網路的標識，主要用在網路路由中。網路地址塊的結束地址被用作該網路的廣播地址。

在因特網的地址中包含了網路資訊。當一個路由器或閘道器連到多個網路上時，每個網路都會給路由器或閘道器分配一個IP地址，裝置有多少個網路連線，就有多少個IP地址。而且這些IP地址分別屬於不同的網路。一臺主機也可以連線多個網路，這種主機叫作多宿主主機（Multi-homed Host）。多宿主主機擁有多個IP地址，每個地址對應於一個物理連線。下圖是一個多宿主主機的例子：

因特網地址的本質是標識主機的網路連線。

因特網地址是由中央管理機構進行分配的。一個組織加入因特網時，從因特網的網路資訊中心InterNIC獲得網路字首，然後負責組織內部的地址分配。這樣，既解決了全域性唯一性問題，又分散了管理負擔。

 

特殊IP地址

在IP地址中有一些並不是來標註主機的，這些地址具有特殊的意義。這些地址包括網路地址、直接廣播地址、受限廣播地址、本網路地址、環回地址等。

網路地址

因特網上的每個網路都有一個IP地址，其主機號部分為“0”。

網路地址的一般表示式為：

{<Network-number>，<Host-number>}={<Network-number>，0}

該地址用於標識網路，不能分配給主機，因此不能作為資料的源地址和目的地址。

• A類網路的網路地址為：Network-number.0.0.0。例如，120.0.0.0；
• B類網路的網路地址為：Network-number.0.0。例如，139.22.0.0；
• C類網路的網路地址為：Network-number.0。例如，203.120.16.0。

直接廣播地址

直接廣播（Direct Broadcast Address）：向某個網路上所有的主機傳送報文。TCP/IP規定，主機號各位全部為“1”的IP地址用於廣播，叫作廣播地址。路由器在目標網路處將IP直接廣播地址對映為物理網路的廣播地址，乙太網的廣播地址為6個位元組的全“1”二進位制位，即：ff:ff:ff:ff:ff:ff 。

直接廣播地址的一般表示式為：

{<Network-number>，<Host-number>}={<Network-number>, -1}

這裡的“-1”表示全“1”。 

直接廣播地址只能作為目的地址。

• A類網路的直接廣播地址為：Network-number.255.255.255。例如，120.255.255.255；
• B類網路的直接廣播地址為：Network-number.255.255。例如，139.22.255.255；
• C類網路的直接廣播地址為：Network-number.255。例如，203.120.16.255。

受限廣播地址

直接廣播要求傳送方必須知道信宿網路的網路號。但有些主機在啟動時，往往並不知道本網路的網路號，這時候如果想要向本網路廣播，只能採用受限廣播地址（Limited Broadcast Address）。

受限廣播地址是在本網路內部進行廣播的一種廣播地址。TCP/IP規定，32位元全為“1”的IP地址用於本網路內的廣播。

受限廣播地址的一般表示式為：

{<Network-number>，<Host-umber>}={-1, -1}

其點分十進位制表示為：255.255.255.255。

受限廣播地址只能作為目的地址。

路由器隔離受限廣播，不對受限廣播分組進行轉發。也就是說因特網不支援全網路範圍的廣播。

本網路地址

TCP/IP協議規定，網路號各位全部為“0”時表示的是本網路。本網路地址分為兩種情況：本網路特定主機地址和本網路本主機地址。

本網路特定主機地址的一般表示式為：

{<Network-number>,<Host-number>}={0, <Host-number>}

本網路特定主機地址只能作為源地址。

本網路本主機地址的一般表示式為：

{<Network-number>，<Host-number>}={0, 0}

本網路本主機地址的點分十進位制表示為：0.0.0.0。

本網路本主機地址只能作為源地址。

無盤工作站啟動時沒有IP地址，此時採用網路號和主機號都為“0”的本網路本主機地址作為源地址。 

環回地址

環回地址（Loopback Address）是用於網路軟體測試以及本機程式之間通訊的特殊地址。 

A類網路地址127.X.X.X被用作環回地址。

環回地址的一般表示式為：

{<Network-number>,<Host-number>}={127, <any>}

習慣上採用127.0.0.1作為環回地址，命名為localhost。

當使用環回地址作為目標地址傳送資料時，資料將不會被髮送到網路上，而是在資料離開網路層時將其回送給本機的有關程式。

環回介面對IP資料包的處理過程，如下圖所示：

在傳送IP資料時，首先要判別該資料包的目的IP地址是否為環回地址，如果是環回地址，則直接將IP資料包放入IP輸入佇列實現環回。對於直接以本機地址作為目的地址的IP資料包也要會送給本機。對於廣播或組播資料包，則在會送給本機的同時還要向網路傳送。