计算机网络：网络层

计算机网络：网络层 - IPv4地址

- 分类编址
- 划分子网
- - 子网掩码
- 无分类编址 CIDR
- - CIDR 地址块
  - 构造超网

在酒店中，每个房间都有门牌号码，服务员送餐时，就可以根据门牌号码来判断一份餐要送到那个房间。

在网络中也是如此，一份数据发送到网络中，也要通过一个标识符来判断这个数据要发送到哪一台主机，而这个标识符就叫做IP地址。

本博客讲解的IP地址为IPv4版本的IPv4地址，其由32个比特构成。

比如地址：00001010 11110000 00001111 10101010，这样的地址太难记忆了，我们往往会把每八位分为一组，并写为十进制形式：

在这里插入图片描述

最后再用.把每个数字分开，地址就变成了10.240.15.170，这种记法称为点分十进制。

IPv4地址的编址方法经历了如下三个历史阶段：分类编址，划分子网，无分类编址。

分类编址

在互联网发展早期采用的是分类的、两级结构的 IP 地址，由两个字段组成：

第一个字段是网络号，标志主机（或路由器）所连接到的网络
第二个字段是主机号，标志该主机（或路由器）本身

在这里插入图片描述

拥有相同网络号的主机，视为处于同一个网络中。那么现在的问题就是，得到一个IP地址后，怎么判断哪一部分是主机号，那一部分是网络号呢？这是通过分类来实现的。

分类编址的IP地址分为A、B、C、D、 E 五类：

在这里插入图片描述
地址的分类规则如下：

首先根据第一位比特位：第一位为0的地址，就是A类地址；第一位为1的地址包含B，C，D，E类地址。
再看第二位：当前两位为10，就是B类地址；前两位为11的地址包含C，D，E类地址。
再看第三位：当前三位为110，就是C类地址；前三位为111的地址包含D，E类地址。
最后看第四位：如果前四位为1110，则为D类地址；如果前四位为1111，则为E类地址。

每一种类型地址的网络号与主机号的位数，都是固定的

表格如下：

分类	网络号	主机号	最高位
A类	8位	24位	0
B类	16位	16位	10
C类	24位	8位	110

而D类和E类地址比较特殊：

D类地址是多播地址，最高4位固定为1110。
E 类地址是保留地址，最高4位固定为1111。

只有A，B，C类地址可以分配给网络中的主机和路由器。

接下来我们来详谈A，B，C三类地址：

A类地址：

在A类地址中，包含8位网络号与24位主机号，如下：

在这里插入图片描述

对于网络号部分，A类地址包含从00000000到01111111的网络号，即[0, 127]。

这些网络号被分为三部分：

0：网络号为00000000的地址，被保留下来，不会给主机使用
[1, 126]：这一段网络号是可以指派个给主机正常使用的
127：即网络号01111111，该网络号内部的所有地址，称为本地环回地址，不给主机使用

我简单说明一下本地环回地址，这是一个用于测试的地址，用于在同一台计算机上进行网络通信。比如说你写了一个程序，要通过网络在不同主机之间通信。如果你想要测试你的程序是否可以利用网络通信，此时就可以用本地环回地址。

例如：当你开发一个网络应用程序，需要测试它是否能与服务器通信时，你可以使用本地环回地址来模拟这个过程。你可以在本地计算机上安装一个服务器，并使用本地环回地址 (127.0.0.1) 来连接到该服务器。这样，你就可以在不连接到实际网络的情况下测试你的应用程序。

现在聊完了网络号，再看看主机号：

对于可以指派的[1, 126]区间的网络号，以网络号为123为例，其主机号也分为三部分：

123.0.0.0：即主机号为全0，这个主机号不会分配给主机使用，而是用于标识这整个网络
123.255.255.255：即主机号为全1，这个主机号也不会分配给主机使用，而是用于在网络内部进行广播，称为广播地址
其它：只要主机号不为全0或全1，就可以给主机正常使用

对于A类地址而言，每个网络中可以分配的IP地址数为：

${\color{Red} 2^{24} - 2 = 16777214}$

也就是一千六百七十多万个，其中-2是要减去全0和全1的两个地址。

B，C类地址：
相比于A类地址，B和C类地址的结构非常简单，因为B和C类地址中不用考虑本地环回地址，也没有被保留的地址。

以B类地址为例：

在这里插入图片描述

对于网络号：B类和C类地址的所有网络号都可以分配，没有特殊的网络号。

比如对于B类地址，其最小可分配的网络号为10000000 00000000，即128.0；而其最大可分配的网络号为10111111 11111111，即191.255。

对于主机号：全0的主机号表示本网络，全1的主机号表示该网络的广播地址。

对于B类地址而言，每个网络中可以分配的IP地址数为：

${\color{Red} 2^{16} - 2 = 65534}$

对于C类地址而言，每个网络中可以分配的IP地址数为：

${\color{Red} 2^{8} - 2 = 254}$

接下来我汇总一下所有特殊的IP地址：

网络号	主机号	是否可做源地址	是否可做目的地址	含义
0	0	可以	不可以	代表本网络的本主机
0	X	可以	不可以	代表本网络的主机号为 X 的主机
全1	全1	不可以	可以	在本网络上广播
Y	全1	不可以	可以	在网络号为 Y 的网络上广播
Y	全0	不可以	不可以	表示网络号为 Y 的整个网络
127	非全0，非全1的任何数	可以	可以	本地环回地址

划分子网

接下来我们讲解IPv4地址的第二个发展阶段，划分子网。

在分类网络中，我们会存在地址浪费的问题，假设某个单位有300个人，按照分类编址，请问要给这个单位划分哪一类的地址呢？

B类网络中，每个网络含有的IP地址数目为65534，而C类网络中，每个网络含有的IP地址数目为254。那么问题就来了：如果给这个单位C类网络，IP地址数目不够，如果给这个单位B类网络，就会浪费掉六万多个IP地址。

为了解决这种资源浪费的问题，IP地址进行了划分子网。

划分子网的思想就是：将一个大的网络，划分为更多个小的子网络。

此时IP地址被划分为了网络号，子网号，主机号三部分：

在这里插入图片描述

从上图的网络号可以看出，这是一个B类地址，注意：子网划分是建立在分类编址之上的，所以网络号部分依然可以标识A，B，C类地址，也遵循之前的分类编址规则。

那么这个子网号是如何凭空出现的呢？这个子网号，其实是从主机号中分出来的。

那么这个子网号有啥作用呢？对于网络号和子网号都相同的主机，视为处于同一个网络中！

那么我们再来看看一开始的问题：一个单位有300人，现在要如何给这个单位分配网络？

刚才我们分析过，要分配一个B类地址给这个网络，但是B类地址中有65534个地址，对这个单位来说又太多了，所以我们可以将这个B类地址划分为更多个子网！

假设我们要对166.16.0.0这B类网络进行划分，我们可以分配 $2^{9} = 512$ 个地址给这个单位，也就是说对于原先的16位主机号，只保留9位，剩下7位拿去做子网号：

在这里插入图片描述

此时整个166.16.0.0网络就被分为了 $2^{7} = 128$ 个子网络，也就是子网号从0000000到1111111：

在这里插入图片描述

现在把其中一个子网分配给该单位，剩下的127个子网给别的地方用，这样就可以大幅减少IP地址的浪费了！

假设这个单位分配到的子网号为1010101，并不是所有的IP地址都可以分配。

在这里插入图片描述

与之前相同的，主机号全0表示该网络，不可以分配，而主机号全1是广播地址，也不能分配，所以这个子网中可以分配的IP地址总数为： $2^{9} - 2= 510$ 个。

子网掩码

划分子网后，原来属于一个网络的IP地址有可能会被划分在不同的子网，那么如何判断一个IP地址的子网号是哪一部分呢？

这就需要用到子网掩码 (subnet mask)，子网掩码也是32位，由一串连续的1和一串连续的0组成，比如11111111 11111111 11110000 00000000。

那么子网掩码有什么用呢？子网掩码的1部分，对应IP地址中的网络号和子网号，而子网掩码的0部分，对应IP地址的主机号，如下：

在这里插入图片描述

比如以上示例中，主机号为145.13，子网号为3，它们对应的子网掩码都是1，而主机号为10，对应的子网掩码为0。

将一个IP地址与它的子网掩码进行按位与运算，就可以得到该IP地址所处的网络。

例如：已知 IP 地址是 128.14.35.7，子网掩码是 255.255.240.0，求网络地址

在这里插入图片描述

将地址128.14.35.7转为二进制：

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1

再把子网掩码255.255.240.0转为二进制：

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

将两者按位与：

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
----------------------------------------------------------------
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

再把10000000000011100010转为点分十进制128.14.32.0，此时就得到了网络地址。

由于A类，B类，C类地址都有固定的主机号，所以它们的子网掩码都是有默认值的，比如A类地址的主机号有8位，那么子网掩码前面至少有8位1，那么子网掩码的默认值就是11111111 00000000 00000000 00000000，点分十进制位255.0.0.0，这种子网掩码称为默认子网掩码。

各分类地址的默认子网掩码如下：

在这里插入图片描述

无分类编址 CIDR

IPv4地址 编址方法的第三个历史阶段，是无分类编址的 IPv4地址。

尽管之前介绍的划分子网的 IPv4地址在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难，但是因特网的 IP 地址仍在加速消耗整个 IPV4 地址空间，面临全部耗尽的威胁。为此，因特网工程任务组又提出了采用无分类编址的方法来解决 IPv4地址 紧张的问题。

1993 年英特网工程任务组发布了无分类域间路由选择的相关 RFC 文档。无分类域间路由选择的英文缩写词为CIDR，消除了传统 A 类、 B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，因此可以更加有效的分配 IPV4 的地址空间。

这里有一个很重要的信息，那就是无分类编址 CIDR已经推翻了之前的分类编址和划分子网，是一套全新的IP地址体系，接下来的学习不要带入之前的概念，要看做是一个新的体系去学习。当然，CIDR也有很多和之前相似的地方，它继承了先前的IP地址设计的优点，并优化了部分缺点。

CIDR编址中，IP地址的格式如下：

在这里插入图片描述

其与分类编址中的网络号 + 主机号的模式很像，但是CIDR中，网络前缀的长度是任意的，不受限制，而分类编址中网络号的长度是固定的。

那么对于一个IP地址，要如何知道其有多少位网络前缀呢？

CIDR使用斜线记法或称为CIDR记法，即在IP地址的末尾加上一个斜线'/'，写上网络前缀所占的位数。例如128.14.35.7/20这个地址，就是指前20位为网络前缀，剩下的12位是主机号。

如果想要求出CIDR编址下，IP地址所处的网络，其实就是把主机号的所有比特位变为0，保留网络前缀即可，当然你也可以用通过与子网掩码进行按位与的方法求网络地址，通过反斜线记法可以很轻松求出子网掩码。

CIDR 地址块

CIDR把网络前缀都相同的连续IP地址组成一个CIDR地址块

比如128.14.32.0/20，这就是一个CIDR地址块，其表示前20位网络前缀为128.14.32的所有地址聚合成的一个地址块，也可以表示一个网络。

如下图：

在这里插入图片描述

要注意，CIDR地址块中包含的地址数，一定是 $2^{n}$ 个。

接下来我带大家辨析一些网络地址：

128.14.35.7

该地址是一个IP地址，但是没有通过反斜线记法表示其网络前缀的位数，所以不知道其网络。

128.14.35.7/20

该地址是一个IP地址，并通过/20表示该地址的网络前缀为20位。

128.14.32.0/20

其有两种可能，如果其表示IP地址，那么这就是一个主机号为全0的IP地址。

因为其主机号全0，所以其也有可能表示CIDR地址块。

接下来我们看一些特殊的CIDR地址块：

网络前缀长度	子网掩码	含义
`/32`	`255.255.255.255`	一个`IP地址`，这个地址一般在路由器中来指定一台主机
`/31`	`255.255.255.254`	这种地址块中，只有两个地址，也就是最后一位`主机号`分别为`1`和`0`，这种地址用于进行点对点链路通信，此时主机号全`1`不再表示广播，因为点对点链路没有广播的概念
`/0`	`0.0.0.0`	这是全球所有`IP地址`构成的一个地址块，如果主机号也为全`0`，即`0.0.0.0/0`，则表示路由器中的`默认路由`