IP地址和IP子网划分

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最近想重新学习一下计算机网络相关的知识，从苹果图书里找到了一本免费的IBM写的《TCP/IP Tutorial and Technical Overview》。本文简要记录一下IP地址和子网划分的相关知识。

网络参考模型

TCP/IP参考模型，IETF提出的参考模型，分为4层，TCP/IP协议参考模型分层从上到下分别为：

  • 应用层（application layer），比如HTTP/FTP/DNS协议
  • 传输层（transport layer）, TCP/UDP
  • 网络互连层（internet layer），IP协议
  • 网络访问（链路）层（network access (link) layer），以太网、WIFI等

IP地址

IP协议通过创建虚拟网络视图将底层各种各样的硬件差异给隐藏掉，它是一种不可靠、尽最大努力和不面向连接的数据报传输协议。IP地址是主机在互联网上独一无二的身份标识，IPV4地址用32位无符号二进制比特表示，通常用点十进制表示，比如192.168.0.1。

IP地址 = <Network Number><Host Number>

IP地址由网络编号和主机编号组成，网络编号部分是由三个区域因特网注册处管理的：

  • America Registy for Internet Numbe (ARIN) 负责美洲和部分非洲
  • Reseaux IP Europeans (RIPE) 负责欧洲、中东和部分非洲
  • Asia Pacific Network Information Centre (APNIC) 负责亚太地区

IP地址分类

IP地址的前几个比特表示IP地址中剩余比特位应该如何划分为网络编号和主机编号，一共有五种分类：

  • A类，前缀为0，7位网络编号，24位主机编号
  • B类，前缀为10，14位网络编号，16位主机编号
  • C类，前缀为110，21位网络编号，8位主机编号
  • D类，前缀为1110，多播专用
  • E类，前缀为11110，将来/实验

从上面前缀可以看出，区分网络分类的办法就是看第一个0比特位出现的位置，第一个就是A类，第二个就是B类，以此类推。根据二进制前缀可以很容易算出各类IP的IP地址前缀及其包含的网络数。

  • A类 0(0000000)到127(111111) 126个网络，每个网络容纳16777214个主机地址，有两个保留网络,0和127
  • B类 128(10000000)到192(10111111) 16382个网络，每个网络容纳65534个主机地址，有两个保留网络128和191
  • C类 192(11000000)到224(110111111) 2097150个网络，每个网络容纳254个主机地址，有两个保留网络，192和224保留
  • D类 224(11100000)到239(11101111)
  • E类 240(11110000)到246(11110111)

计算A/B/C网络容纳网络数和主机数时，一般用 2^{比特位数} - 2 来计算，通常比特位全为0和1的情况视为特殊用途，所以减去2

保留IP地址

IP地址中的两个部分比特位全为0或者1通常具有特殊意义：

  • 所有比特为0: 网络编号部分全为0则表示当前网络，主机编号部分全为0的地址被解释成当前主机
  • 所有比特为1，网络编号部分全为1则表示所有网络，主机编号部分全为1的地址被解释成所有主机
  • 回环地址，127.0.0.1被定义为回环地址，回环地址不会访问物理网络

特殊IP地址

有些特殊IP地址段，简要列举几个：

  • 0.0.0.0/8 当前网络
  • 14.0.0.0/8 公共数据网络
  • 24.0.0.0/8 有线电视网络
  • 169.254.0.0/16 本地连接
  • 192.0.2.0/24 测试网络，IPV6转4中转 任播
  • 224.0.0.0/24 多播
  • 240.0.0/4 保留做将来使用

IP子网划分

当互联网在爆炸式发展的时候，IP地址的分配就显得不太灵活，不太方便修改本地网络的配置，比如需要把本地的一个大网络拆分成两个小网络，这时候就必须要分配新的公网IP地址。为了解决这个问题，IP子网划分的概念被提出来了。IP子网划分完全是本地网络的配置，整个网络对外部看起来还是一个IP地址。

划分方法，将IP地址主机编号部分拆分出一个子网前缀，剩余部分还是作为主机编号，即：

IP地址 = <Network Number><Subnet Number><Host Number>

子网编号和主机编号的组合又被称为本地地址或者本地部分，子网划分由本地管理员决定，可以选择本地地址中的任意多的比特位来划分子网。划分使用32位子网掩码来完成，子网掩码中为0的比特位标志IP地址的主机部分，子网掩码中为1的部分表示子网编号。子网掩码中属于原始IP地址网络编号的被设置成了1但是不使用（部分平台设置成了0但是也是不使用）。子网掩码通常也用点十进制表示。如255.255.255.0。

划分子网时，一般用连续的比特位来作为子网掩码，这样地址会更加容易读，尤其是当子网占用8位或者16位时，很多TCP/IP实现不支持不连续比特位作为子网掩码。

一个子网划分的案例，对于一个B类地址，存在16位主机编号，可以把8位作为子网编号，剩余8位作为主机编号，这样就可以划分出254个子网，每个子网有254个主机地址。

子网划分根据子网编号位数是否可变分为：

  • 静态子网划分，子网全部使用相同的子网掩码
  • 变长子网划分，子网可以使用不同的子网掩码，根据子网大小选择子网掩码长度
  • 混合静态和变长子网划分

一般来说子网掩码会被存储在主机的配置文件中，但是有时候主机可能没有这个配置，比如没有磁盘的工作站，这时候可以通过ICMP协议来获取。ICMP协议包括两种消息：地址掩码获取和地址掩码响应，它可以让主机从网关获取当前网络的子网掩码。