网络层 | 网际协议IP（1）

01 简介

Internet Protocol，网际协议，是TCP/IP体系中网络层的主要协议。

网络层的任务是为互联网上的不同主机提供通信服务，主要完成两件事：对传输层的数据进行封装、将封装后的数据从源地址转发到目的地址。因此IP协议的主要任务也是寻址路由、封包解包。

在《网际协议IP》系列文章中，主要介绍IP地址的格式及分类、一些特殊的IP地址、划分子网、构成超网、数据报格式、路由、与网际协议IP相关的一些协议等方面的知识，旨在希望校友们能对网际协议IP有比较系统的了解。当然也不排除误写漏写的情况，如果有校友发现，请在公众号留言，我会及时修改。

下面开始《网际协议IP》系列第一部分的学习。

02 IP地址详解

Internet Protocol Address，互联网协议地址，又称IP地址，用于识别互联网中的设备。

互联网中的设备要想正常通信，就必须配置正确的IP地址。通俗点讲：要想上网，就必须有正确的IP地址。

格式

目前互联网使用IP协议有两个版本：IPv4和IPv6。在这里只介绍IPv4地址，IPv6地址后面再介绍。

IPv4地址由32位二进制数组成，为了提高可读性，对人类更加友好，通常采用 “点分十进制法” 表示IP地址，具体的做法如图所示：

（1）每八位二进制数为一组，将32位的IP地址分为4组

（2）将每组二进制数转换为十进制数

（3）用“.”将四组十进制数隔开，转换成对人类友好的IP地址表现形式

分类

为便于寻址和层次化构造网络，IPv4地址被设计成由网络号+主机号组成。

网络号标明设备连接的网络，网络号在互联网中是唯一的。主机号标明设备本身，主机号在网络范围内是唯一的。因此，IP在整个互联网中是唯一的。

打个比方，寄快递。我在某云爸爸那里买个东西，寄到北京朝阳区xxxx。快递不会直接寄到具体地址这里，正常的流程应该是这样：快递公司一看地址是北京朝阳区，那它直接把快递寄到朝阳区；寄到朝阳区后，再由快递小哥寄到xxxx。这里北京朝阳区就是网络号，xxxx就是主机号，邮编就有这种作用。

早期的IPv4地址，前八位为网络号，后二十四位为主机号。随着互联网的发展，RFC 791对IPv4地址的定义做了修改，将IPv4地址分为了ABC三类单播地址。再后来，D类和E类也被定义。

ABCDE类，根据IP地址网络号中的前几位来标识（被称为类别位），定义了网络的大小和类型。其中ABC三类为单播地址，是最常用的，D类为多播地址，E类保留为今后使用。

A类：前8位为网络号，后24位为主机号，类别位为0

B类：前16位为网络号，后16位为主机号，类别位为10

C类：前24位为网络号，后8位为主机号，类别位为110

D类：没有网络号，类别位为1110

E类：没有网络号，类别位为1111

我们可以通过类别位来判断IP地址属于哪一类，也可以通过查看IP地址处在哪个地址范围来判断。

A类： 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255

B类：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255

C类：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255

D类：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255

E类：240.0.0.0 ~ 255.255.255.255

比如192.168.0.1，在192.0.0.0~223.255.255.255这个区间，所以这是一个C类地址；另外将其转换成二进制后，为11000000 10101000 00000000 00000001，前三位为110，这也可以判断它是一个C类地址。

但是，并非所有的IP地址我们都能使用，因为有些地址有特殊的用途，我们一般不能使用。

特殊IP地址

这里我们只讨论ABC这三类单播地址。

RFC3330（如今已被RFC5735淘汰）中指明了哪些IP有特殊用途，哪些不能出现在公共互联网上，哪些不能被人们使用，这里我挑几个常见的给大家介绍一下。

首先要说明一下三种情况，只要符合下列情况之一的IP地址，一般都不会使用。

网络号为全0：表示本网络

主机号为全0：表示本主机连接的网络地址

主机号为全1：表示这个网络中的所有主机

比如：

128.128.255.255：主机号为全1，表示网络128.128.0.0上的所有主机

128.128.0.0：主机号为全0，表示这是网络地址128.128.0.0

0.0.0.128：网络号为全0，表示本网络上主机号为128的主机

另外，再介绍两个特殊的IP段：127.0.0.0段和169.254.0.0段。

127.0.0.0网段大家应该不陌生，特别是做开发的。这个网段中的地址被称为本地环回地址，用于同一设备不同服务之间的通信，发送给这些IP地址的数据都会返回给本机，通常都是使用127.0.0.1这个IP地址。后来在RFC6761中，将域名localhost保留了下来，用于环回，这也是为什么在电脑上搭建服务器，访问localhost和访问127.0.0.1都是同一页面的原因。

169.254.0.0网段。不知道大家平时有没有注意，给自己电脑配置IP地址，有时会弹出地址冲突的提示，然后查看属性，发现IP地址变成了169.254.0.0网段中的某个IP地址。

RFC3927中详细介绍了169.254.0.0网段，这个网段中的IP地址被称为本地链路地址。

要与其他设备通信，主机就必须配有IP地址，要么手动配置，要么自动获取，但是配置的IP地址并不总是有效的，这样就无法和其他设备通信。

而本地链路地址的存在就是为了解决这个问题，即使配置的IP地址不是有效的，但依然能分配一个本地链路地址给主机，让主机和其他设备通信。但是本地链路地址只能与同一物理链路中的设备通信，这也是其称为本地链路地址的原因。

最后要介绍一下0.0.0.0这个IP地址，网络号为0，主机号也为0，在服务器中，0.0.0.0可以表示“本地计算机上的所有IPv4地址”。如果主机有两个IP地址192.168.1.1和10.1.2.1，并且主机上运行的服务器配置为监听0.0.0.0，那么这两个IP地址都可以访问这台主机。

当然，还有其他的一些IP段不能使用，这里就不再赘述。特殊IP的知识大家心里有个印象就行，不需死记硬背。

另外，为了缓解IPv4地址的耗尽，出现了各种技术：NAT、专用网络（私有地址）、DHCP、虚拟主机等，接下来我们就简单介绍一下专用网络，其他几种技术后续再讲。

专用网络（私有地址）

RFC1918中指出，专用网络分为三个地址段，这些地址段在专用网络外不能路由，专用网络内的主机不能直接与公共网络通信，换句话说就是这些地址只能用于内部网络。但可以通过网络地址转换（NAT），实现和互联网通信。

A类：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255

B类：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255

C类：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

举个最简单的例子，家里的wifi。现在家家户户基本都有wifi，手机、电脑、电视等都可以连接以获取互联网服务。这些设备想要上网，就必须配有正确的IP地址，分配工作是路由器来完成的，而路由器分配给这些设备的IP地址就是私有地址，通常都是192.168.x.x。

在划分专用网络之前，全球只能有一个192.168.0.1的地址。但划分专用网络之后，每个局域网都可以有一个192.168.0.1的地址，这就缓解了IPv4地址资源的耗尽。

03 总结

IPv4地址格式：32位二进制数，通常采用“点分十进制法”来表示IP地址IPv4地址组成：网络号+主机号

IPv4地址分类：ABCDE类，常用的是ABC三类单播地址，D类为多播地址，E类保留保留地址：有些IP地址被保留，用于特殊用途，其中包括专用网络