IPv4地址的分類和應用

【摘 要】IP地址為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展奠定了完整的行為規(guī)范，目前IPv4資源日益枯竭，人們會在實際操作中將IPv4地址分類進行使用，同時引入子網(wǎng)掩碼進行子網(wǎng)劃分，加大了IPv4地址的利用率。

【關(guān)鍵詞】IPv4地址 分類 子網(wǎng)劃分

一、前言

IP地址的誕生就是注定要為高速發(fā)展的計算機網(wǎng)絡(luò)奠定一套合理的行為規(guī)范，目前正在使用的IPv4擁有32位長的二進制數(shù)，理論上講可以容納40多億臺主機，可見當時相關(guān)的設(shè)計人員就已經(jīng)可以確認IP地址在計算機網(wǎng)絡(luò)通信中的重要性了。這些像是主機的“門牌號”一樣的字符串，將接入網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備唯一化，保證了通訊的順利進行。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是云計算催生出的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，大大加速了IPv4資源的枯竭，2011年，全球互聯(lián)網(wǎng)IP地址相關(guān)管理組織發(fā)出正式通告，現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)IPv4地址已分配完畢。雖然IPv6技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，其128位的長度，2的128次方個地址的數(shù)量可以從根本上解決IPv4的困境，但是取代的過程需消耗大量經(jīng)費，注定了取代過程將是漫長的。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員只能在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上充分利用子網(wǎng)劃分、NAT地址轉(zhuǎn)換等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)盡可能的節(jié)省地址浪費。

二、IPv4地址的分類

在實際操作中，設(shè)計人員制訂了網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議（TCP）和網(wǎng)際協(xié)議（IP），這個協(xié)議組一般被簡稱為“TCP/IP”協(xié)議，基于這種協(xié)議的IPv4地址通常按每8位二進制數(shù)（一個字節(jié)）為單位分成4段，并且將這4段分為網(wǎng)絡(luò)號和主機號兩部分。網(wǎng)絡(luò)號中包含的二進制位數(shù)直接決定了可以進行分配的網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量；主機號中包含的二進制位數(shù)則決定了網(wǎng)絡(luò)中最大的主機數(shù)。為了方便使用，IP地址一般采用點分十進制的記錄方式。由于IP地址的前3段都可以作為網(wǎng)絡(luò)號來使用，因此就將IP地址空間劃分成了不同的類別，每一類具有不同的網(wǎng)絡(luò)號位數(shù)和主機號位數(shù)。這種分類方式會帶來一個問題：不同種類的IP地址其網(wǎng)絡(luò)號會出現(xiàn)重疊的情況，為了方便區(qū)分，設(shè)計人員根據(jù)網(wǎng)絡(luò)號對IP地址進一步進行了分類：

將網(wǎng)絡(luò)號以0為開頭的IP地址定義為A類地址，理論上講其網(wǎng)絡(luò)號最小為00000000即0，最大為01111111即127。但是在實際操作中，我們會把網(wǎng)絡(luò)號為0和127的留作特殊用途，因此日常使用的A類IP地址有126個。主機號有3段共24位，去掉全為0和全為1的保留地址，每個A類網(wǎng)絡(luò)可以容納2-2即16777214臺主機。

將網(wǎng)絡(luò)號以10為開頭的IP地址定義為B類地址，其網(wǎng)絡(luò)號第1段的最小為10000000，第1段的最大為10111111，同樣的方法可以得出，共有16384個B類網(wǎng)絡(luò)，主機號有2段共16位，去掉全為0和全為1的保留地址，每個B類網(wǎng)絡(luò)可以容納65534臺主機。

將網(wǎng)絡(luò)號以110為開頭的IP地址定義為C類地址，其網(wǎng)絡(luò)號第1段最小為11000000，第1段的最大為11011111，同樣的方法可以得出，共有2097150個不同的C類網(wǎng)絡(luò)地址，主機號有1段共8位，同樣去掉全為0和全為1的保留地址，每個C類網(wǎng)絡(luò)可以容納254臺主機。

將網(wǎng)絡(luò)號以1110為開頭的IP地址定義為D類地址，D類地址用于在IP網(wǎng)絡(luò)中的組播，地址空間的范圍從224.0.0.0到239. 255. 255.254。

將網(wǎng)絡(luò)號以1111為開頭的IP地址定義為E類地址，并保留作研究之用。因此Internet上沒有可用的E類地址。其有效的地址范圍從240.0.0.0 至255.255.255.255。

在IP地址中，有些是有特殊含義的保留地址，這些地址不能分配給主機使用。比如：0.0.0.0是所有不清楚的主機和目的網(wǎng)絡(luò)的集合；255.255.255.255是限制廣播地址；169.254.X.X被微軟買斷，當DHCP服務(wù)器發(fā)生故障時由Windows操作系統(tǒng)自動分配；127開頭的IP地址是本機地址，主要用于測試。

同時，人們還專門預留了不能在公網(wǎng)路由上使用的私人IP地址。A類地址里的10.0.0.0～10.255.255.255，B類地址里的172.16.0.0～172.31.255.255，C類地址里的192.168.0.0～192.168.255.255都是私人地址。這些地址被經(jīng)常用于企事業(yè)單位的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中這些內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)由于不與公網(wǎng)互聯(lián)，因而用戶可能使用隨意的IP地址，保留這樣的地址供其使用是為了避免以后接入公網(wǎng)時引起地址沖突。

三、子網(wǎng)劃分

從上面的論述中我們可以看到，有些情況下，同一個網(wǎng)絡(luò)號內(nèi)所容納的主機數(shù)量龐大，大大超過了主機的數(shù)量，這樣在使用起來就非常的不方便，并且會造成寶貴的IP地址資源的浪費。為此，在使用過程中人們會使用子網(wǎng)掩碼來配合IP地址的使用。在IPv4版本下，子網(wǎng)掩碼和IP地址的格式類似，都是采用了32位長的二進制數(shù)來表示，但是由一串持續(xù)的1和一串連續(xù)的0組成的。比如，A類IP地址的默認子網(wǎng)掩碼是255.0.0.0，B類IP地址的默認子網(wǎng)掩碼是255.255.0.0，C類IP地址的默認子網(wǎng)掩碼是255.255.255.0。通過這幾組默認的子網(wǎng)掩碼我們可以發(fā)現(xiàn)，子網(wǎng)掩碼左側(cè)連續(xù)的“1”代表網(wǎng)絡(luò)位，字符“1”的個數(shù)就是網(wǎng)絡(luò)位的長度；右側(cè)連續(xù)的“0”表示主機位，字符“0”的數(shù)目等于主機位的長度。這樣設(shè)計的好處在于計算機將IP地址和子網(wǎng)掩碼進行“與”運算后，子網(wǎng)掩碼中連續(xù)的0就可以遮住原主機數(shù)，而不改變原網(wǎng)絡(luò)段數(shù)字，這樣計算機可以迅速的確定兩臺主機的IP地址是否在一個號段內(nèi)，并且使用者也會很容易通過0的位數(shù)確定子網(wǎng)的主機數(shù)（即2的主機位數(shù)次方-2，因為主機號全為1時表示該網(wǎng)絡(luò)廣播地址，全為0時表示該網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號，這是兩個特殊地址）。其實子網(wǎng)掩碼確定IP地址中的網(wǎng)絡(luò)號和主機號只是其一方面的作用，另一方面它還可以將一個大的IP網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個小的子網(wǎng)絡(luò)，劃分子網(wǎng)的方法主要有默認子網(wǎng)掩碼和變長子網(wǎng)掩碼兩種方式

1、 默認子網(wǎng)掩碼

上面我們提到，子網(wǎng)掩碼可以決定IP地址中的網(wǎng)絡(luò)號，那么就可以通過手動設(shè)置的方式改變原有地址中的網(wǎng)絡(luò)號和主機號。具體來說，就是可以使用B類或者C類IP地址的子網(wǎng)掩碼（255.255.0.0或者255.255.255.0）將原有的A類IP地址的網(wǎng)絡(luò)號由1個字節(jié)改變?yōu)?個或者3個字節(jié)，或者使用C類IP地址的子網(wǎng)掩碼將原有B類IP地址的網(wǎng)絡(luò)號由2個字節(jié)改變?yōu)?個字節(jié)，從而起到劃分子網(wǎng)，減少子網(wǎng)中主機容量的目的。

2、 變長子網(wǎng)掩碼

變長子網(wǎng)掩碼是在默認子網(wǎng)掩碼的基礎(chǔ)上，將原本為0的最高位部分修改為1，這樣就可以使IP地址中的部分主機位改變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)位，通過這種“借位”的方式達到劃分子網(wǎng)的目的。比如一個C類IP地址192.168.0，在使用默認子網(wǎng)掩碼255.255.255.0時，其地址范圍192.168.0.1～192.168.0.254處于同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?，F(xiàn)在根據(jù)實際情況，需要將該網(wǎng)絡(luò)劃分為5個子網(wǎng)。劃分子網(wǎng)的方法如下：由于5大于2的2次方、小于2的3次方，我們可以利用變長子網(wǎng)掩碼，將默認子網(wǎng)掩碼255.255.255.0中的第4個字節(jié)00000000修改為11100000（即子網(wǎng)掩碼修改為255.255.255.224），由于子網(wǎng)掩碼中的1代表網(wǎng)絡(luò)位，換句話講就是利用了這種方法向主機位“借用”了3位作為網(wǎng)絡(luò)位來使用。這3位有000，001，010，011，100，101，110和111共8種組合方式，劃分的子網(wǎng)可以滿足需要。

既然子網(wǎng)掩碼在子網(wǎng)劃分中起到這么重要的作用，那么我們在實際操作中，對于子網(wǎng)掩碼的設(shè)置也需要謹慎小心，否則就容易出現(xiàn)問題。比如，主機一的IP地址為192.168.1.2，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.192，主機二的IP地址為192.168.1.100，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.192。如果現(xiàn)在主機一要給主機二發(fā)送數(shù)據(jù)，先要判斷兩個主機是否在同一網(wǎng)段。通過計算，我們可以得出主機一的網(wǎng)絡(luò)號為192.168.1.0，主機二的網(wǎng)絡(luò)號為192.168.1.64，兩個網(wǎng)絡(luò)號不相同，也就是說，兩臺主機不在同一網(wǎng)絡(luò)，因此數(shù)據(jù)就需要通過默認網(wǎng)關(guān)發(fā)送給主機二所在網(wǎng)絡(luò)。

子網(wǎng)掩碼的重要性決定了人們在書寫IP地址的時候，就要將子網(wǎng)掩碼一起書寫出來，比如192.168.0.1/24或者172.17.0.1/18，這樣才能體現(xiàn)出IP地址定義的嚴謹和劃分的靈活。

四、結(jié)論

我們在借助IP地址和子網(wǎng)掩碼來劃分子網(wǎng)的實際操作時，既要考慮到當前網(wǎng)絡(luò)的需要，還要考慮到今后網(wǎng)絡(luò)的擴容和升級。我們可以在滿足主機數(shù)量需求的前提下劃分出更多的子網(wǎng)，這樣可以在一定程度上節(jié)約IP地址資源，并且如果將來需要更多的子網(wǎng)，就不用重新分配IP地址。同時如果一個網(wǎng)絡(luò)中的主機數(shù)量太多，網(wǎng)絡(luò)廣播就會占用較大的帶寬，影響網(wǎng)絡(luò)利用率。因此需要在實際操作中詳細計算子網(wǎng)的劃分，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

IP地址的發(fā)展見證的是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，子網(wǎng)掩碼的引入更是將IP地址的利用率提高了一個檔次。我們在暢快的使用網(wǎng)絡(luò)的同時絕不能忽略帶給我們方便快捷的這個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且我們也在期待著它的技術(shù)的再一次發(fā)展和進步。

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作者簡介：

彭城（1982- ），男，漢族，大學本科，工作于江蘇省徐州技師學院信息工程系，講師，主要從事計算機專業(yè)教學工作，郵編：221000