【TCP/IP】IP地址分类和特殊IP地址

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IP地址是因特网技术中的一个非常重要的概念，IP地址在IP层实现了底层网络地址的统一，使因特网的网络层地址具有全局唯一性和一致性。IP地址含有位置信息，反映了主机的网络连接，使因特网进行寻址和路由选择的依据。

IP地址概述

地址是标识对象所处位置的标识符。传输中的信息带有源地址和目的地址，分别标识通信的源结点和目的结点，即信源和信宿。目的地址是传输设备为信息进行寻址的依据。

不同的物理网络技术（底层网络技术）通常具有不同的编址方式，这种差异主要表现：不同的地址结构、不同的地址长度。

在一个物理网络中，每个结点都至少有一个机器可识别的地址，该地址叫作物理地址。物理地址又称为硬件地址、MAC地址或第二层地址。物理地址有两个特点：不一致性、不唯一性。

• 不一致性是指不同的物理网络技术采用不同的编址方式；
• 不惟一性是指不同的物理网络中的结点的物理地址可能重复。

为了保证寻址的正确性，必须确保一个网络中结点地址的惟一性。另外，不同物理网络在地址编址方式上的不统一会给寻址带来极大的不便。在进行网络互联时首先要解决的问题是物理网络地址的统一问题。

因特网是在网络级进行互联的，因此，因特网在网络层（IP层）完成地址的统一工作，将不同物理网络的地址统一到具有全球惟一性的IP地址上，IP层所用到的地址叫作因特网地址，又叫IP地址。

因特网采用一种全局通用的地址格式，为全网的每一个网络和每一台主机都分配一个IP地址，以此屏蔽物理网络地址的差异。

因特网沿用了ARPANET的思想，仍然采用层次型地址。因特网由网络联结而成，网络由主机联结而成。这种地址体现了网络的层次结构，便于进行寻址。IP地址由网络号和主机号构成。表示为：

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

其中：网络号的长度决定了整个因特网中能容纳多少网络，主机号的长度决定每个网络能容纳多少台主机。

因特网的IP协议提供了一种全因特网通用的地址格式（保证一致性），并在统一管理下进行IP地址的分配（保证惟一性），确保一个地址对应一台因特网主机（或路由器）。 由于IP地址标识了一个主机的位置（所属的网络），当将一台主机从一个网络移到另一个网络时必须改变这台主机的IP地址。（一般来说）

IPv4规定，因特网地址长度为32比特（IPv6规定地址长度为128比特）。IPv4的地址空间为2^32，即4 294 967 296个IP地址。IP地址一般用点分十进制数表示，例如202.119.84.120。这四个用点分隔的段分别对应四个字节。IP地址也可以用二进制（11001010 01110111 01010100 01111000）或十六进制表示（0XCA775478）。IP地址的二进制表示在讨论地址类别和掩码时经常会用到，而十六进制表示在IPv4中很少使用。

分类IP地址

传统的因特网采用分类地址。IP定义了五类IP地址：A类、B类、C类、D类和E类。如下图所示：

各类网络所占地址空间的比例如下图所示：

A、B和C是三个基本的类，分别代表不同规模的网络：

• A类地址：1个字节的网络号，3个字节的主机号，用于少量的大型网络；
• B类地址：2个字节的网络号，2个字节的主机号，用于中等规模的网络；
• C类地址：3个字节的网络号，1个字节的主机号，用于小规模的网络。

A类地址

第一个字节的最高位固定为0，另外7比特可变的网络号可以标识128个网络（0～127），0一般不用，127用作环回地址。所以共有126个可用的A类网络。A类地址的24比特主机号可以标识1677216台主机（2^24 =1677216）。另外，主机号为全0时用于表示网络地址，主机号为全1时用于表示广播地址。这两个主机号不能用来标识主机。所以，每个A类网络最多可以容纳1 677 214台主机。A类地址的第一个字节的取值范围为0～127。

B类地址

第一个字节的最高2比特固定为10，另外14比特可变的网络号可以标识214=16384个网络。16比特主机号可以标识65 536台主机，（216=65536）。由于主机号不能为全0和全1，所以，每个B类网络最多可以容纳65534台主机。B类地址的第一个字节的取值范围为128～191。

C类地址

第一个字节的最高3比特固定为110，另外21比特可变的网络号可以标识221=2097152个网络。8比特主机号可以标识256台主机(28=256)，由于主机号不能为全0和全1。所以，每个C类网络最多可以容纳254台主机。C类地址的第一个字节的取值范围为192～223。

D类地址

D类地址用于组播（multicasting），因此，D类地址又称为组播地址。D类地址的范围为224.0.0.0～239.255.255.255，每个地址对应一个组，发往某一组播地址的数据将被该组中的所有成员接收。D类地址不能分配给主机。D类地址的第一个字节的取值范围为224～239。

有些D类地址已经分配用于特殊用途：

224.0.0.0 是保留地址、224.0.0.1 是指本子网中的所有系统、224.0.0.2 是指本子网中的所有路由器、224.0.0.9 是指运行RIPv2路由协议的路由器、224.0.0.11是指移动IP中的移动代理。

另外，还有一些D类地址留给了网络会议：

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

E类地址

E类地址为保留地址，可以用于实验目的。E类地址的范围：240.0.0.0 ～ 255.255.255.254，E类地址的第一个字节的取值范围为240～255。 

在分类地址网络中每个网络占用一个地址块。各类网络地址块的示例如下表所示：

每个网络都要占用两个IP地址，一个用于标识网络，一个用于网络广播。每个网络使用该网络地址块的起始地址作为网络地址，该地址仅作为网络的标识，主要用在网络路由中。网络地址块的结束地址被用作该网络的广播地址。

在因特网的地址中包含了网络信息。当一个路由器或网关连到多个网络上时，每个网络都会给路由器或网关分配一个IP地址，设备有多少个网络连接，就有多少个IP地址。而且这些IP地址分别属于不同的网络。一台主机也可以连接多个网络，这种主机叫作多宿主主机（Multi-homed Host）。多宿主主机拥有多个IP地址，每个地址对应于一个物理连接。下图是一个多宿主主机的例子：

因特网地址的本质是标识主机的网络连接。

因特网地址是由中央管理机构进行分配的。一个组织加入因特网时，从因特网的网络信息中心InterNIC获得网络前缀，然后负责组织内部的地址分配。这样，既解决了全局唯一性问题，又分散了管理负担。

特殊IP地址

在IP地址中有一些并不是来标注主机的，这些地址具有特殊的意义。这些地址包括网络地址、直接广播地址、受限广播地址、本网络地址、环回地址等。

网络地址

因特网上的每个网络都有一个IP地址，其主机号部分为“0”。

网络地址的一般表达式为：

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

该地址用于标识网络，不能分配给主机，因此不能作为数据的源地址和目的地址。

• A类网络的网络地址为：Network-number.0.0.0。例如，120.0.0.0；
• B类网络的网络地址为：Network-number.0.0。例如，139.22.0.0；
• C类网络的网络地址为：Network-number.0。例如，203.120.16.0。

直接广播地址

直接广播（Direct Broadcast Address）：向某个网络上所有的主机发送报文。TCP/IP规定，主机号各位全部为“1”的IP地址用于广播，叫作广播地址。路由器在目标网络处将IP直接广播地址映射为物理网络的广播地址，以太网的广播地址为6个字节的全“1”二进制位，即：ff:ff:ff:ff:ff:ff 。

直接广播地址的一般表达式为：

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

这里的“-1”表示全“1”。 

直接广播地址只能作为目的地址。

• A类网络的直接广播地址为：Network-number.255.255.255。例如，120.255.255.255；
• B类网络的直接广播地址为：Network-number.255.255。例如，139.22.255.255；
• C类网络的直接广播地址为：Network-number.255。例如，203.120.16.255。

受限广播地址

直接广播要求发送方必须知道信宿网络的网络号。但有些主机在启动时，往往并不知道本网络的网络号，这时候如果想要向本网络广播，只能采用受限广播地址（Limited Broadcast Address）。

受限广播地址是在本网络内部进行广播的一种广播地址。TCP/IP规定，32比特全为“1”的IP地址用于本网络内的广播。

受限广播地址的一般表达式为：

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

其点分十进制表示为：255.255.255.255。

受限广播地址只能作为目的地址。

路由器隔离受限广播，不对受限广播分组进行转发。也就是说因特网不支持全网络范围的广播。

本网络地址

TCP/IP协议规定，网络号各位全部为“0”时表示的是本网络。本网络地址分为两种情况：本网络特定主机地址和本网络本主机地址。

本网络特定主机地址的一般表达式为：

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

本网络特定主机地址只能作为源地址。

本网络本主机地址的一般表达式为：

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

本网络本主机地址的点分十进制表示为：0.0.0.0。

本网络本主机地址只能作为源地址。

无盘工作站启动时没有IP地址，此时采用网络号和主机号都为“0”的本网络本主机地址作为源地址。 

环回地址

环回地址（Loopback Address）是用于网络软件测试以及本机进程之间通信的特殊地址。 

A类网络地址127.X.X.X被用作环回地址。

环回地址的一般表达式为：

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

习惯上采用127.0.0.1作为环回地址，命名为localhost。

当使用环回地址作为目标地址发送数据时，数据将不会被发送到网络上，而是在数据离开网络层时将其回送给本机的有关进程。

环回接口对IP数据报的处理过程，如下图所示：

在发送IP数据时，首先要判别该数据报的目的IP地址是否为环回地址，如果是环回地址，则直接将IP数据报放入IP输入队列实现环回。对于直接以本机地址作为目的地址的IP数据包也要会送给本机。对于广播或组播数据报，则在会送给本机的同时还要向网络发送。