前言

IPv4地址我初学时觉得非常困难，乍一看是一个很简单的概念，可是每本专业书都花了相当大的笔墨去讲解，而且每本书都没讲全。
后来我把4个计算机网络的专业书放到一起来看，终于明白了。
其实是因为IPv4地址的概念从诞生初期的分类寻址到如今的CIDR寻址，经历了3个大的阶段的变化。每个阶段都修修补补，逐步完善了前一代的缺点。
有的书是直接讲解最新的CIDR寻址，有的书却讲了以前的分类寻址和子网寻址。这才导致很多人看起来云里雾里。
我认为最好是从分类寻址一步步学过来，体会每个阶段为什么要这样做，下一个阶段是怎么在上一个阶段的过程中完善的。
很多概念自然而然就可以理解了。
所以，我自己写了一篇博文，完整的讲述了IPv4地址的三种寻址方式。

IPv4地址相关定义

IPv4地址定义：就是给互联网上的每一台主机（或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围内唯一且通用的32位的标识符。
补充：接口的定义：主机与物理链路之间的边界叫做接口。
IP地址的作用就是帮助逻辑寻址，完成路由的工作。由于路由器有多个接口（至少也有2个接口，输入接口和输出接口），所以每个接口都需要一个IP地址，IP地址是和接口相关联的。
IP地址必须满足唯一性和通用性，因为所有的主机必须依靠唯一通用的IP地址，才可以被因特网上的其他设备区别开来。

IPv4长度：32位。

IPv4最大地址个数： $2^{32}$ ，十进制为4,294,967,296。最大地址个数也被称为地址空间。

IPv4地址标记法：二进制标记法和点分十进制标记法。
二进制标记法：用01字符串表示IP地址，每个字节间隔一个空格。
举例：01110101 10010101 00011101 00000010
点分十进制标记法：把每个字节的二进制数转换为十进制数字，也就需要4个十进制数字表示IP地址，数字之间用.隔开。
举例：192.168.1.3

分类寻址

分类寻址的定义

分类寻址是已经被淘汰的体系结构，但学习它有助于理解其他的体系结构。

IP地址最开始的体系结构是分类寻址，分类寻址把地址空间划分为5类：A、B、C、D、E五类。
每类地址的区别在于第一个字节，如下图所示：
在这里插入图片描述
A类的第一个字节范围是：0~127（这些十进制数字对应二进制数字第一位是0）
B类的第一个字节范围是：128~191
C类的第一个字节范围是：192~223
D类的第一个字节范围是：224~239
E类的第一个字节范围是：240~255

每一类地址都有不同的应用场景：
A类地址是为那些具有大量的主机或路由器的大型组织机构所设计的。
B类地址是为可能具有数万台主机或路由器的中型组织机构所设计的。
C类地址是为那些具有少量主机或者路由器的小型组织机构设计的。
A、B、C类地址都是单播地址（很少一部分地址会在特殊情况下使用）。
D类地址为多播使用。
E类地址为保留地址。

A、B、C类的每个IP地址都由两个固定长度的字段组成（D类和E类则不是），第一个字段称为网络号，网络号标识主机和路由器所在的网络，第二个字节称为主机号，主机号标识某个特定网络下的某个接口。

A类地址的网络号是1个字节，第一个字节的第一位固定为0，是类别位。剩下7位可供使用，一共有 $2^{7} - 2$ = 126（128 - 2）个可用的网络号。因为00000000和01111111这2个特殊数字被用作特殊用途。也就是，只能给最多126个大型组织机构分配A类地址。
A类地址的主机号是3个字节，每个被分配A类地址的大型组织机构，可以分配 $2^{24}$ - 2 = 16,777,214个A类单播IP地址。主机号为全0或者全1的地址被用作特殊用途，所以要-2。

B类地址的网络号是2个字节，第一个字节的前两位固定为10，是类别位。剩下14位可供使用，一共有 $2^{14} - 1$ = 16,383个可用的B类网络号。B类地址的网络号其实不存在全0或者全1的说法（因为开头固定为10），但是10000000 00000000也就是128.0这个网络号一般是不指派的，所以需要减1。
B类地址的主机号是2个字节，可以分配 $2^{16}$ - 2 = 65,534个B类单播IP地址，主机号为全0或者全1被用作特殊用途。

C类地址的网络号是3个字节，第一个字节的前3位固定为110，是类别位。剩下21位可供使用，一共有 $2^{21} - 1$ = 2,097,151个可用的C类网络号。192.0.0这个网络号一般不使用，所以需要减1。
C类地址的主机号是1个字节，可以分配 $2^{8}$ - 2 = 254个C类单播IP地址，主机号为全0或者全1被用作特殊用途。

IP地址的有效指派范围如下表格：

网络类别	最大可指派的网络数	第一个可指派的网络号	最后一个可指派的网络号	每个网络中的最大主机数
A	126	1	126	16,777,214
B	16,383	128.1	191.255	65,534
C	2,097,151	192.0.1	223.255.255	254

分类寻址的缺点

分类寻址有3个主要的缺点。

IP地址空间的利用率很低。

A类地址有超过一千万个可分配地址，这几乎比所有的组织机构的需要都要大。
B类地址也有超过六万个地址，远超过大部分中型组织的需求。
而C类地址只有254个可分配地址，大部分小型组织的需求都可能超过这个数量。
这就导致A和B类网络提供的地址都过多了，C类又过少了。
D类地址是为多播而设计的，因特网管理机构错误地预测需要268,435,456组( $2^{28}$ ），这里浪费了太多的地址。
E类地址也仅有少数几个被使用，这也引起了地址的浪费。

看上表可以得知，A类网络只有126个，B类也只有16,383个，A类和B类地址很快就被用完了，而对于大部分中型企业,C类地址又不够用。
所以，有人想出了一个暂时能解决问题的办法：超网化(supernetting)。超网是将几个C类地址构成更大范围的地址空间给一个组织使用，比如一个需要1000个地址的组织机构可以申请4个C类地址块。

路由表的负荷太大，从而使整个互联网的性能下降。

即使我们IP地址的资源足够给每一个物理网络分配一个网络号，但是路由器的路由表项目数量也会过多，比如C类地址太多，很多中小公司利用超网，一个公司会用很多个C类地址，每个C类地址都需要在路由器拥有一个表项，或者在分配B类网络的公司内部路由器，主机过多，需要的表项也很多。这样查找路由会耗费过多的时间，路由器定期交换路由信息需要更多开销，从而使得整个互联网的性能下降。

两级IP地址不够灵活。

要想让一个新的单位连接上互联网，就必须向互联网管理机构ICANN组织申请新的网络号。假如一个单位需要去新的地点立刻开通新的网络，就必须提前去申请新的IP地址，这样做是非常不方便的。

子网寻址

子网寻址的定义

子网寻址是为了解决上面分类寻址第二点和第三点的缺点，诞生的一种新的技术。
其实很简单，就是将主机号进行进一步划分，分成子网号+主机号。

比如对于一个B类网络，前2个字节还是网络号，但原来后2个字节的主机号可以被分为子网号+主机号。比如，分配1个字节为子网号，1个字节为主机号。那么这个B类网络一共有256个子网，每个子网可以有254个主机号。

在这里插入图片描述
对于某个网络的外部，子网的具体划分是不可见的，外部只能看到网络号，认为它们是一个网络。
但是，对于网络的内部，可以根据不同的子网号，划分成不同的子网，每个子网都有一定数量的主机号。

子网寻址的好处

这样做有很多好处：
1.某个网络内部可以随时根据具体情况，重新进行子网的划分，网络外部对这些都是不可见的，不需要和外部的网络协调。
2.网络内部更加贴近真实的网络物理结构，可以让子网对应的主机号数量更加接近真实所需的接口数量。
3.路由表的表项数量大幅度减少。对于某个网络外部的路由器，只需要管理网络号即可。对于网络内部的路由器，可以根据子网配置路由器表项，这比直接根据主机配置表项要大大减少表项的开销。
4.当一个已经分配B类网络的公司需要去新地点连接互联网时，不需要再向ICANN组织申请新的网络地址空间，只需要增加一个子网给新地点即可。

子网寻址的额外开销（子网掩码）

子网掩码的定义

之前分类寻址是靠第一个字节的前几位类别位，来区分某个IP地址到底是哪一类网络，再根据是A、B或者C类网络，确定网络号和主机号的长度。但并没有办法确定某个网络如何进行了子网的划分。
所以，路由器要识别子网需要额外的开销，也就是子网掩码。
子网掩码是由一串1和跟随的一串0组成。0的长度为主机号的个数，1的长度是网络号+子网号的个数。
比如：11111111 11111111 11111111 00000000（255.255.255.0）
要确定原本的主机号到底用了几位作为子网号，只需要让IP地址和子网掩码逐位做逻辑与的操作。
逻辑与会让IP地址的主机号部分变为0，留下网络号+子网号，这样就可以确定该IP地址到底属于哪一个子网。
为了方便表示，我们可以在IP地址后加 “/n” 来表示一串1的长度，这个n就是网络号+子网号的长度。

用子网掩码计算子网的起始地址，最后地址，子网地址个数

子网掩码+某个子网其中任意一个地址，就可以计算出整个子网的起始地址，最后地址，子网地址个数。
公式很简单，也很好理解。

计算子网的起始地址(也就是该子网的网络地址)：子网掩码和任意地址逻辑与(and)

因为子网掩码的1的个数 = 网络号+子网号的长度，而同一个子网的地址，网络号和子网号部分都是一致的。
通过逻辑与的操作，就可以把网络号和子网号部分提取出来，而主机号部分会全部变成0。
而子网的起始地址就是主机号全为0的地址，所以，逻辑与就把它计算出来了。

举例：某个子网的某个地址为205.16.37.39，子网掩码为/28。
计算起始地址方法如图：
在这里插入图片描述

计算子网的最后地址(也就是该子网的广播地址)：子网掩码的反码和任意地址逻辑或
子网掩码的反码是，网络号+子网号的个数是一串0的个数，主机号的个数是一串1的个数。
子网掩码的反码和任意地址进行逻辑或后，网络号和子网号部分保留，主机号部分全部变为1。
举例：某个子网的某个地址为205.16.37.39，子网掩码为/28。
计算最后地址方法如图：
在这里插入图片描述

计算单个子网的地址个数：只需要将子网掩码的反码取反再+1
比如子网掩码是/28，取反后为00000000 00000000 00000000 00001111 = 15，加1就是16 = $2^{4}$ 个。

变长子网掩码 (IP Variable Length Subnet Masking, VLSM)

子网划分有一个潜在问题，子网号的长度是固定的，所以每个子网能分配的接口个数是固定长度。
但是，很多公司不同部门需要的接口数量是不同的，每个部门都用定长的子网就会造成浪费。

比如某公司有3个部门，部门1需要100个IP地址，部门2需要50个IP地址，部门3需要25个IP地址。

如果分配一个C类地址给该公司（一共256个可用IP地址（先忽略全0和全1的特殊地址），足够整个公司使用），但是子网的划分却成了难题。因为部门1需要100个IP地址，所以应该划分一个有128个地址的子网给它，但是接下来只剩下1个有128个地址的子网，给部门2后，造成了很多浪费，而且没有其他子网给部门三了。

要解决上述问题，就需要变长子网掩码VLSM的概念。
简单概括，VLSM就是在子网的基础上继续划分子网。
比如，整个公司的子网掩码是/24，部门1的子网掩码是/25(/25有128个IP地址，足够部门1使用），也就是把公司的网络划分为2个子网，其中一个给部门1使用。
现在还剩余一个/25的子网，再在这个子网的基础上划分2个更小的子网/26,部门2使用其中一个/26的子网（/26可以分配64个IP地址，足够部门2使用）。
之后，你甚至可以把剩余一个/26的子网再划分为2个/27的子网，其中一个给部门3使用(/27的子网有32个地址，足够部门3使用）。
这样，还剩下一个/27的子网，可以留给之后扩展的新部门使用。
假设整个公司的C类地址范围是：193.20.20.0 ~ 193.20.20.255
那么部门1的子网地址范围是： 193.20.20.0 ~ 193.20.20.127
部门2的子网地址范围是： 193.20.20.128 ~ 193.20.20.191
部门3的子网地址范围是： 193.20.20.192 ~ 193.20.20.223
剩余的子网地址范围是: 193.20.20.224 ~ 193.20.20.255

无分类编址CIDR

CIDR诞生的原因

CIDR的诞生是因为分类子网划分的2个局限性：
1.B类地址在1992年已经分配了近一半，预计很快将分配完毕。
2.互联网主干网上的路由表的项目数急剧增长（应该是C类和B类太多了）。
这2个问题都是因为分类编址的粒度过低（就A、B、C三类）导致的。

所以，IETF推出了无分类编址CIDR来解决这2个问题。

其实还有第三个问题：
3.互联网主机的高速增长，IPv4迟早会被消耗殆尽。
但这个问题CIDR也解决不了（毕竟最多只有 $2^{32}$ 位，再怎么优化分配，也不可能变出更多）。
这个问题是通过IPv6协议来解决的。

CIDR的定义

CIDR(Classless Inter_Domain Routing,CIDR的读音是"sider"）的正式学名是无分类域间路由选择：它是在变长子网掩码VLSM的基础上，完全去除了分类和划分子网的概念，让分配的地址空间的粒度更细，可以完全根据实际的需要，分配最贴近大小的地址空间给相应的公司和组织。
CIDR把32位的IP地址划分为前后2个部分，前面部分称为“网络前缀”(network-prefix）（简称前缀），后面部分则叫后缀，用来表示主机。
其实和分类寻址的网络号和主机号的概念差不多，但是网络前缀的大小是不固定的，完全可以根据需要决定。

前缀的长度是通过CIDR掩码决定的，CIDR掩码的作用和子网寻址的子网掩码差不多，也是一串1和一串0组成。CIDR推出了一种“斜线记法“，称为CIDR记法（其实我前面在子网掩码中，已经在使用斜线记法了，但这个记法刚开始诞生应该是在CIDR产生时）。
斜线记法就是在IP地址后面加上“/"，然后在/后写上网络前缀所占的位数（虽然CIDR已经去掉了子网的概念，但是很多厂商还是把CIDR掩码称为子网掩码，沿用了以前的叫法）。

同一个网络中，它们的网络前缀的长度和值都是一样的，主机部分（也就是后缀）是连续的IP地址，这些地址就组成了一个CIDR地址块。
和子网寻址差不多，只要知道任意一个带CIDR掩码的地址，就可以计算出整个地址块的起始地址，最后地址，以及地址块的地址个数。
可以参考子网掩码的计算公式（按位与，反码按位或，反码+1）。
我们一般用起始地址+CIDR掩码来标记一个地址块。
比如：128.20.64.0/20

CIDR的聚合

CIDR是标准的树结构，地址块实际是层层细分的，每一层都可以分配到合适的地址块个数。

因特网名称和编号分配组织（ICANN）先将很大的CIDR地址块分配给国家ISP，国家ISP再将已给与的大块地址划分为较小的地址块，分配给区域级的ISP，区域级的ISP再将得到的地址块分配成更小的地址块给本地ISP，本地ISP再将这些地址块进一步划分，分配给不同的组织机构，最后这些组织机构再根据实际情况，划分更小的块构成多个子网给不同的部门使用。这非常类似变长子网掩码VLSM的思路。
反过来，相邻的网络可以合并IP前缀，变成一个短前缀（称为一次聚合），合并后的网络称为一个超网 (supernet)，这也是 CIDR 也称为超网的原因，相邻的超网再聚合，最后聚合成全球网络，使得全球网络形成一个多层次的树状结构。

比如有4个相邻网络：190.154.27.0/26 和 190.1 54.27.64/26 和 190.154.27.128/26 和 190.154.27.192/26
190.1 54.27.0/26 和 190.154.27.64/26 聚合成190.154.27.0/25
190.154.27.128/26 和 190.154.27.192/26 聚合成190.154.27.128/25
然后190.154.27.0/25 和 190.154.27.128/25 聚合成 190.154.27.0/24

这个思路不仅让每个组织都得到了合适大小的CIDR地址块，比如需要5000个IP地址的组织，以前申请B类地址觉得浪费，申请C类地址需要申请多个，现在用CIDR，只需要申请 $2^{13}$ = 8,192个地址个数的CIDR地址块。

而且，解决了路由器表项过长的问题。
只有到某个网络内部的路由器，才会看到更具体的CIDR地址块，在某个网络外部，是看不到更进一步细分的地址块，所有被细分的地址块被聚合成一个超网，外部网络要访问某个超网，只需要一个记录超网的表项就可以完成路由。

CIDR最长前缀匹配

这种按树状结构逐级分层的思路可能会让路由器某次路由时，出现多个匹配的结果。

这是很正常的情况，比如某个路由器连接一个网络，整个网络的CIDR地址块为：200.23.16.0/20，但是，整个网络被分成了8个子网，从200.23.16.0/23到200.23.30.0/23，如果子网一20.23.16/0/23想发送数据报给子网二20.23.18.0/23的某个目的地址200.23.18.100/23，当数据报传递到路由器时，会有2个表项都匹配：200.23.16.0/20和200.23.18.0/23，这时候按照最长前缀匹配，路由器会选择发送到200.23.18.0/23的子网中，而不是错误的发送到路由器指向的外部网络接口中。

最长前缀匹配很好理解，当有多个结果匹配时，选择网络前缀更长的匹配结果即可。

CIDR的三个限制条件

为了简化处理，因特网管理机构对CIDR强加了3个限制条件：

块中的地址必须是连续分配的。
一个块中的地址个数是2的整数次幂(1,2,4,8,……)，分配50个这种是不行的。
块的起始地址必须能被块的个数整除。比如起始地址是205.16.37.32，最多分配32个地址个数的地址块，不能一下子分配64个地址的地址块，这样会很乱。

CIDR和子网寻址的对比

其实CIDR和子网的思路非常接近，只是完全去除了分类寻址的概念。
网络按照树的结构分成了很多层，越是在树的下层的网络就越小。
上层的网络要通信，只需要找到对应上层的较大的网络，再层层细分，找到最底层的特定网络。
子网寻址虽然也有变长子网掩码的概念，但是对于某个组织，还是必须从A、B和C类地址中选一个，这部分的粒度太粗了，导致网络地址的利用率还是很低，主干路由器还是需要记录大量的B类和C类地址的相关表项，所以开销还是很大。

其实可以这样理解，子网寻址在选择了某一类的地址之后，就完全和CIDR等同了。而CIDR是在一开始就按照子网寻址的思路层层下分。

子网寻址和分类寻址的很多概念其实都保留下来了，比如子网掩码编程了CIDR掩码。
很多特殊地址都是一样的规定。
比如：
255.255.255.255/32 是本地网络的广播地址
10.0.0.0/8 和 192.168.0.0/16 和 172.16.0.0/12 是内网地址，不用于公网中。
还有很多可以参考下一节。

IPv4特殊用途地址

前缀	特殊用途
0.0.0.0/8	在本网络上的本主机。仅作为源IP地址使用
10.0.0.0/8	专用内网地址。该地址块不会出现在因特网中
127.0.0.0/8	回环地址，一般用127.0.0.1作为本地回环地址
169.254.0.0/16	“链路本地“地址，只用于一条链路，通常自动分配
172.16.0.0/12	专用内网地址。该地址块不会出现在因特网中
192.0.0.0/24	IETF协议分配(IANA保留)
192.0.2.0/24	批准用于文档中的TEST-NET-1地址。这种地址不会出现在公共Intemet中
192.88.99.0/24	用于6to4中继(任播地址)
192.168.0.0/16	专用内网地址。该地址块不会出现在因特网中
198.18.0.0/15	用于基准和性能测试
198.51.100.0/24	TEST-NET-2地址。被批准用于文档中
203.0.113.0/24	TEST-NET-3地址。被批准用于文档中
224.0.0.0/4	以前的D类地址，也就是组播地址，仅作为目的地址使用
240.0.0.0/4	要除开255.255.255.255，以前的E类地址，保留空间地址
255.255.255.255/32	本地网络的广播地址

IPv4的三种寻址方式（分类寻址，子网寻址到最新的CIDR寻址）

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