來自公眾號：小林coding
在 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信時，為了保證能正常通信，每個設(shè)備都需要配置正確的 IP 地址，否則無法實現(xiàn)正常的通信。
IP 地址（IPv4 地址）由 32 位正整數(shù)來表示，IP 地址在計算機是以二進制的方式處理的。
而人類為了方便記憶采用了點分十進制的標記方式，也就是將 32 位 IP 地址以每 8 位為組，共分為 4 組，每組以「.」隔開，再將每組轉(zhuǎn)換成十進制。
那么，IP 地址最大值也就是
IP 地址最大值
也就說，最大允許 43 億臺計算機連接到網(wǎng)絡(luò)。
實際上，IP 地址并不是根據(jù)主機臺數(shù)來配置的，而是以網(wǎng)卡。像服務(wù)器、路由器等設(shè)備都是有 2 個以上的網(wǎng)卡，也就是它們會有 2 個以上的 IP 地址。
因此，讓 43 億臺計算機全部連網(wǎng)其實是不可能的，更何況 IP 地址是由「網(wǎng)絡(luò)標識」和「主機標識」這兩個部分組成的，所以實際能夠連接到網(wǎng)絡(luò)的計算機個數(shù)更是少了很多。
可能有的小伙伴提出了疑問，現(xiàn)在不僅電腦配了 IP， 手機、IPad 等電子設(shè)備都配了 IP 呀，照理來說肯定會超過 43 億啦，那是怎么能夠支持這么多 IP 的呢？
因為會根據(jù)一種可以更換 IP 地址的技術(shù) NAT，使得可連接計算機數(shù)超過 43 億臺。NAT 技術(shù)后續(xù)會進一步討論和說明。
IP 地址的分類
互聯(lián)網(wǎng)誕生之初，IP 地址顯得很充裕，于是計算機科學(xué)家們設(shè)計了分類地址。
IP 地址分類成了 5 種類型，分別是 A 類、B 類、C 類、D 類、E 類。
上圖中黃色部分是分類號，用以區(qū)分 IP 地址類別。
什么是 A、B、C 類地址？
其中對于 A、B、C 類主要分為兩個部分，分別是網(wǎng)絡(luò)號和主機號。這很好理解，好比小GO是 A 小區(qū) 1 棟 101 號，你是 B 小區(qū) 1 棟 101 號。
我們可以用下面這個表格， 就能很清楚的知道 A、B、C 分類對應(yīng)的地址范圍、最大主機個數(shù)。
A、B、C 分類地址
A、B、C 分類地址最大主機個數(shù)是如何計算的呢？
最大主機個數(shù)，就是要看主機號的位數(shù)，如 C 類地址的主機號占 8 位，那么 C 類地址的最大主機個數(shù)：
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為什么要減 2 呢？
因為在 IP 地址中，有兩個 IP 是特殊的，分別是主機號全為 1和全為 0的地址。
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- 主機號
全為 1指定某個網(wǎng)絡(luò)下的所有主機，用于廣播- 主機號
全為 0指定某個網(wǎng)絡(luò)
因此，在分配過程中，應(yīng)該去掉這兩種情況。
廣播地址用于什么？
廣播地址用于在同一個鏈路中相互連接的主機之間發(fā)送數(shù)據(jù)包。
學(xué)校班級中就有廣播的例子，在準備上課的時候，通常班長會喊：“上課， 全體起立！”，班里的同學(xué)聽到這句話是不是全部都站起來了？這句話就有廣播的含義。
當(dāng)主機號全為 1 時，就表示該網(wǎng)絡(luò)的廣播地址。例如把172.20.0.0/16用二進制表示如下：
10101100.00010100.00000000.00000000
將這個地址的主機部分全部改為 1，則形成廣播地址：
10101100.00010100.11111111.11111111
再將這個地址用十進制表示，則為172.20.255.255。
廣播地址可以分為
本地廣播和直接廣播兩種。
- 在本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)廣播的叫做本地廣播。例如網(wǎng)絡(luò)地址為 192.168.0.0/24 的情況下，廣播地址是 192.168.0.255 。因為這個廣播地址的 IP 包會被路由器屏蔽，所以不會到達 192.168.0.0/24 以外的其他鏈路上。
在不同網(wǎng)絡(luò)之間的廣播叫做直接廣播。例如網(wǎng)絡(luò)地址為 192.168.0.0/24 的主機向 192.168.1.255/24 的目標地址發(fā)送 IP 包。收到這個包的路由器，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給192.168.1.0/24，從而使得所有 192.168.1.1~192.168.1.254 的主機都能收到這個包（由于直接廣播有一定的安全問題，多數(shù)情況下會在路由器上設(shè)置為不轉(zhuǎn)發(fā)）。
本地廣播與直接廣播
什么是 D、E 類地址？
而 D 類和 E 類地址是沒有主機號的，所以不可用于主機 IP，D 類常被用于多播，E 類是預(yù)留的分類，暫時未使用。
D、E 分類地址
多播地址用于什么？
多播用于將包發(fā)送給特定組內(nèi)的所有主機。
還是舉班級的栗子，老師說：“最后一排的同學(xué)，上來做這道數(shù)學(xué)題。”，老師是指定的是最后一排的同學(xué)，也就是多播的含義了。
由于廣播無法穿透路由，若想給其他網(wǎng)段發(fā)送同樣的包，就可以使用可以穿透路由的多播（組播）。
單播、廣播、多播通信
多播使用的 D 類地址，其前四位是
1110就表示是多播地址，而剩下的 28 位是多播的組編號。
從 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 都是多播的可用范圍，其劃分為以下三類：
- 224.0.0.0 ~ 224.0.0.255 為預(yù)留的組播地址，只能局域網(wǎng)中，路由器是不會進行轉(zhuǎn)發(fā)的
- 224.0.1.0 ~ 238.255.255.255 為用戶可用的組播地址，可以用于 Internet 上
- 239.0.0.0 ~ 239.255.255.255 為本地管理組播地址，可供內(nèi)部網(wǎng)在內(nèi)部使用，僅在特定的本地范圍內(nèi)有效
IP 分類的優(yōu)點
不管是路由器還是主機解析到一個 IP 地址時候，我們判斷其 IP 地址的首位是否為 0，為 0 則為 A 類地址，那么就能很快的找出網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址。
其余分類判斷方式參考如下圖：
IP 分類判斷
所以，這種分類地址的優(yōu)點就是簡單明了、選路（基于網(wǎng)絡(luò)地址）簡單。
IP 分類的缺點
- 缺點一
同一網(wǎng)絡(luò)下沒有地址層次，比如一個公司里用了 B 類地址，但是可能需要根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境、測試環(huán)境、開發(fā)環(huán)境來劃分地址層次，而這種 IP 分類是沒有地址層次劃分的功能，所以這就缺少地址的靈活性。- 缺點二
A、B、C類有個尷尬處境，就是不能很好的與現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)匹配。
C 類地址能包含的最大主機數(shù)量實在太少了，只有 254 個，估計一個網(wǎng)吧都不夠用。
而 B 類地址能包含的最大主機數(shù)量又太多了，6 萬多臺機器放在一個網(wǎng)絡(luò)下面，一般的企業(yè)基本達不到這個規(guī)模，閑著的地址就是浪費。
這兩個缺點，都可以在CIDR無分類地址解決。無分類地址 CIDR
正因為 IP 分類存在許多缺點，所有后面提出了無分類地址的方案，即
CIDR。
這種方式不再有分類地址的概念，32 比特的 IP 地址被劃分為兩部分，前面是網(wǎng)絡(luò)號，后面是主機號。
怎么劃分網(wǎng)絡(luò)號和主機號的呢？
表示形式a.b.c.d/x，其中/x表示前 x 位屬于網(wǎng)絡(luò)號， x 的范圍是0 ~ 32，這就使得 IP 地址更加具有靈活性。
比如10.100.122.2/24，這種地址表示形式就是CIDR，/24表示前 24 位是網(wǎng)絡(luò)號，剩余的 8 位是主機號。
image.png
還有另一種劃分網(wǎng)絡(luò)號與主機號形式，那就是子網(wǎng)掩碼，掩碼的意思就是掩蓋掉主機號，剩余的就是網(wǎng)絡(luò)號。
將子網(wǎng)掩碼和 IP 地址按位計算 AND，就可得到網(wǎng)絡(luò)號。
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為什么要分離網(wǎng)絡(luò)號和主機號？
因為兩臺計算機要通訊，首先要判斷是否處于同一個廣播域內(nèi)，即網(wǎng)絡(luò)地址是否相同。如果網(wǎng)絡(luò)地址相同，表明接受方在本網(wǎng)絡(luò)上，那么可以把數(shù)據(jù)包直接發(fā)送到目標主機，
路由器尋址工作中，也就是通過這樣的方式來找到對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)號的，進而把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。
IP地址的網(wǎng)絡(luò)號
怎么進行子網(wǎng)劃分？
在上面我們知道可以通過子網(wǎng)掩碼劃分出網(wǎng)絡(luò)號和主機號，那實際上子網(wǎng)掩碼還有一個作用，那就是劃分子網(wǎng)。
子網(wǎng)劃分實際上是將主機地址分為兩個部分：子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址和子網(wǎng)主機地址。形式如下：
image.png
由于子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)地址被劃分成 2 位，那么子網(wǎng)地址就有 4 個，分別是 00、01、10、11，具體劃分如下圖：
image.png
劃分后的 4 個子網(wǎng)如下表格：
image.png公有 IP 地址與私有 IP 地址
在 A、B、C 分類地址，實際上有分公有 IP 地址和 私有 IP 地址。
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平時我們辦公室、家里、學(xué)校用的 IP 地址，一般都是私有 IP 地址。因為這些地址允許組織內(nèi)部的 IT 人員自己管理、自己分配，而且可以重復(fù)。因此，你學(xué)校的某個私有 IP 地址和我學(xué)校的可以是一樣的。
就像每個小區(qū)都有自己的樓編號和門牌號，你小區(qū)家可以叫 1 棟 101 號，我小區(qū)家也可以叫 1 棟 101，沒有任何問題。但一旦出了小區(qū)，就需要帶上中山路 666 號（公網(wǎng) IP 地址），是國家統(tǒng)一分配的，不能兩個小區(qū)都叫中山路 666。
所以，公有 IP 地址是有個組織統(tǒng)一分配的，假設(shè)你要開一個博客網(wǎng)站，那么你就需要去申請購買一個公有 IP，這樣全世界的人才能訪問。并且公有 IP 地址基本上要在整個互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)保持唯一。
公有 IP 地址與私有 IP 地址
公有 IP 地址由誰管理呢？
私有 IP 地址通常是內(nèi)部的 IT 人員值管理，公有 IP 地址是由ICANN組織管理，中文叫「互聯(lián)網(wǎng)名稱與數(shù)字地址分配機構(gòu)」。
IANA 是 ICANN 的其中一個機構(gòu)，它負責(zé)分配互聯(lián)網(wǎng) IP 地址，是按州的方式層層分配。
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- ARIN 北美地區(qū)
- LACNIC 拉丁美洲和一些加勒比群島
- RIPE NCC 歐洲、中東和中亞
- AfriNIC 非洲地區(qū)
- APNIC 亞太地區(qū)
其中，在中國是由 CNNIC 的機構(gòu)進行管理，它是中國國內(nèi)唯一指定的全局 IP 地址管理的組織。IP 地址與路由控制
IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址這一部分是用于進行路由控制。
路由控制表中記錄著網(wǎng)絡(luò)地址與下一步應(yīng)該發(fā)送至路由器的地址，在主機和路由器上都會有各自的路由器控制表。
在發(fā)送 IP 包時，首先要確定 IP 包首部中的目標地址，再從路由控制表中找到與該地址具有相同網(wǎng)絡(luò)地址的記錄，根據(jù)該記錄將 IP 包轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的下一個路由器。如果路由控制表中存在多條相同網(wǎng)絡(luò)地址的記錄，就選擇相同位數(shù)最多的網(wǎng)絡(luò)地址，也就是最長匹配。
下面以下圖的網(wǎng)絡(luò)鏈路作為例子說明：
IP 地址與路由控制
- 主機 A 要發(fā)送一個 IP 包，其源地址是
10.1.1.30和目標地址是10.1.2.10，由于沒有在主機 A 的路由表找到與目標地址10.1.2.10的網(wǎng)絡(luò)地址，于是把包被轉(zhuǎn)發(fā)到默認路由（路由器1）- 路由器
1收到 IP 包后，也在路由器1的路由表匹配與目標地址相同的網(wǎng)絡(luò)地址記錄，發(fā)現(xiàn)匹配到了，于是就把 IP 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到了10.1.0.2這臺路由器2- 路由器
2收到后，同樣對比自身的路由表，發(fā)現(xiàn)匹配到了，于是把 IP 包從路由器2的10.1.2.1這個接口出去，最終經(jīng)過交換機把 IP 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到了目標主機
環(huán)回地址是不會流向網(wǎng)絡(luò)
環(huán)回地址是在同一臺計算機上的程序之間進行網(wǎng)絡(luò)通信時所使用的一個默認地址。
計算機使用一個特殊的 IP 地址127.0.0.1 作為環(huán)回地址，與該地址具有相同意義的是一個叫做localhost的主機名。
使用這個 IP 或主機名時，數(shù)據(jù)包不會流向網(wǎng)絡(luò)。IP 分片與重組
每種數(shù)據(jù)鏈路的最大傳輸單元
MTU都是不相同的，如 FDDI 數(shù)據(jù)鏈路 MTU 4352、以太網(wǎng)的 MTU 是 1500 字節(jié)等。
每種數(shù)據(jù)鏈路的 MTU 之所以不同，是因為每個不同類型的數(shù)據(jù)鏈路的使用目的不同。使用目的不同，可承載的 MTU 也就不同。
其中，我們最常見數(shù)據(jù)鏈路是以太網(wǎng)，它的 MTU 是1500字節(jié)。
那么當(dāng) IP 數(shù)據(jù)包大小大于 MTU 時， IP 數(shù)據(jù)包就會被分片。
經(jīng)過分片之后的 IP 數(shù)據(jù)報在被重組的時候，只能由目標主機進行，路由器是不會進行重組的。
假設(shè)發(fā)送方發(fā)送一個 4000 字節(jié)的大數(shù)據(jù)報，若要傳輸在以太網(wǎng)鏈路，則需要把數(shù)據(jù)報分片成 3 個小數(shù)據(jù)報進行傳輸，再交由接收方重組成大數(shù)據(jù)報。
分片與重組
在分片傳輸中，一旦某個分片丟失，則會造成整個 IP 數(shù)據(jù)報作廢，所以 TCP 引入了MSS也就是在 TCP 層進行分片不由 IP 層分片，那么對于 UDP 我們盡量不要發(fā)送一個大于MTU的數(shù)據(jù)報文。
