16Linux运维网络基础（04IP地址介绍）

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文章目录

1. IP地址定义
2. IP地址分类
3. 子网掩码
4. IP子网划分
5. IP超网合并

IP 地址作为互联网协议体系中的关键要素，发挥着不可替代的作用，如同网络世界中的 “基石”，为每一台接入网络的设备提供了独一无二的身份标识，是实现数据在网络中有序传输和精准路由的基础。无论是大型企业的全球化业务布局，还是个人用户的日常网络活动，都离不开 IP 地址的支持。

1. IP地址定义

IP 地址（Internet Protocol Address）是互联网协议地址，它是为互联网上的每一台网络设备分配的一个逻辑地址，用于在网络中唯一标识设备以及进行数据的传输和路由。

IP 地址是一个 32 位（IPv4）或 128 位（IPv6）的二进制数，通常以点分十进制（IPv4）或冒号十六进制（IPv6）的形式表示。在网络通信中，IP 地址就像设备的 “身份证号码”，确保数据包能够准确无误地从源设备传输到目标设备。

虽然IPv6正在逐步推广，但是常见的IP地址依然是IPv4格式的。所以这里主要还是对IPv4格式的IP地址进行了解。

为了方便记忆IP地址，就将组成计算机的IP地址的32位二进制分成四段，每段8位，中间用小数点隔开，然后将每八位二进制转换成十进制数。IP 地址分为网络位和主机位，通过子网掩码来确定。

子网掩码也是一个 32 位的二进制数，与 IP 地址相对应。子网掩码中连续的 1 表示网络位，连续的 0 表示主机位。通过将 IP 地址与子网掩码进行按位与运算，就可以得到网络地址，从而确定网络位。

2. IP地址分类

IPv4 地址根据网络规模等因素分为 A、B、C、D、E 五类。
在这里插入图片描述
IPv4地址根据网络规模等因素分为A、B、C、D、E五类，以下是以表格形式呈现的具体介绍：

类别	地址范围	首位标识	网络位/主机位	可用网段数量	网段可用主机数量	注意点
A类	1.0.0.0 - 127.255.255.255	0	1字节/3字节	$2^7 -2 =126$	$2^{24} -2 =16777214$	默认子网掩码为`255.0.0.0`，一般用于大型网络。
B类	128.0.0.0 - 191.255.255.255	10	2字节/2字节	$2^{14} =16384$	$2^{16} -2 =65534$	默认子网掩码为`255.255.0.0`，一般用于中型规模网络。
C类	192.0.0.0 - 223.255.255.255	110	3字节/1字节	$2^{21} =2097152$	$2^{8} -2 =254$	默认子网掩码为`255.255.255.0`，一般用于小型网络。
D类	224.0.0.0 - 239.255.255.255	1110	无特定网络位与主机位划分	-	-	一种组播地址，用来标识一组主机。主要用于多播通信，如视频会议、网络电视等应用中，可将数据同时发送到多个接收者。
E类	240.0.0.0 - 255.255.255.255	1111	保留	-	-	保留地址，暂时未分配特定用途。通常用于科研和实验等特殊场合。

A类地址中缺少的2个网段是0.0.0.0/8和127.0.0.0/8。

0.0.0.0 表示所有不清楚的主机和目的网络，是一个特殊的未指定地址，通常保留用于默认路由或一些特殊用途；
主机端︰DHCP分配过程中，用0.0.0.0表示本机，比如主机DHCP Discover广播报文源目地址和端口是0.0.0.0:68-255.255.255.255:67。
服务器端:0.0.0.0本机所有IPv4地址，如果某主机有两个IP地址，该主机一个服务监听的地址是0.0.0.0，那么通过两个IP地址都能够访问该服务。
路由∶0.0.0.0表示默认路由，即当路由表中没有找到完全匹配路由的时候所对应的路由。

127.0.0.0网段属于环回地址网段，主要用于本地主机进行自我测试和通信。最常见的127.0.0.1被称为本地回环地址。

网段可用主机数量中缺少的2个地址是主机部分全 0 和全 1 的地址。（2进制表示时）

地址的主机部分全为 0 时，表示的是整个网络的网络地址，也被称为网络号，用来标识一个特定的网络。如192.168.1.0。
主机地址全为 1 的 IP 地址被用作广播地址。如192.168.1.255。

其他的一些特殊地址

一些网段地址专门为组织内部使用而保留，不会在公网上出现。

A 类私有地址：10.0.0.0 - 10.255.255.255，即10.0.0.0/8
B 类私有地址：172.16.0.0 - 172.31.255.255，即172.16.0.0/12
C 类私有地址：192.168.0.0 - 192.168.255.255，即192.168.0.0/16

B 类地址中的169.254.0.0~169.254.255.255 是保留地址。当设备设置为自动获取 IP 地址（DHCP）但无法找到可用的 DHCP 服务器时，就会从这个范围内临时获取一个 IP 地址进行使用。

3. 子网掩码

子网掩码是一个 32 位的二进制数字，通常用点分十进制表示，其作用是将 IP 地址划分为网络地址和主机地址两部分。子网掩码中，对应 IP 地址网络部分的位设为 1，对应主机部分的位设为 0。通过将 IP 地址与子网掩码进行逻辑与运算，可得到网络地址，从而确定设备所在的网络。

子网掩码的表示方法

子网掩码有两种常见的表示方法，即点分十进制表示法和 CIDR 表示法。

点分十进制表示法：即将 32 位二进制数分成 4 个字节，每个字节用十进制数表示，中间用点号分隔。例如，255.0.0.0、255.255.0.0、255.255.255.0 等都是常见的点分十进制表示的子网掩码。
CIDR（无类别域间路由）表示法：在 IP 地址后面加上 “/”，再跟上子网掩码中网络位的位数。例如，192.168.1.0/24，其中 “/24” 表示子网掩码中前 24 位为网络位，即子网掩码为 255.255.255.0。

子网掩码的工作方式

子网掩码通过与 IP 地址进行逻辑与运算来确定网络地址和判断网络通信范围。在网络通信中，设备会将自己的 IP 地址和子网掩码进行逻辑与运算，得到自己所在的网络地址。

例如，IP 地址为 172.16.122.204，子网掩码为 255.255.0.0，将它们转换为二进制进行逻辑与运算，得到172.16.0.0的网络号。

当主机之间进行通信时，两台主机各自的IP地址与其中一台主机的子网掩码进行And与运算（两个IP与同一个掩码进行运算），如果结果如果相同，则说明这两台主机是处于同一个网段，这样两台主机可以实现正常通信；如果结果不同，说明两个IP是在不同的网段中，相互通信需要路由进行转发。

也就是说，相同的网络号的IP之间可以直接相互通信，不同的则需要依靠路由器转发。

子网掩码的分类

子网掩码主要根据使用方式分为缺省子网掩码和自定义子网掩码。

缺省子网掩码：是根据IP地址的类别自动分配的子网掩码，未进行子网划分时使用的默认设置。示例：A 类地址的默认子网掩码是 255.0.0.0，B 类地址的默认子网掩码是 255.255.0.0，C 类地址的默认子网掩码是 255.255.255.0。
自定义子网掩码：是网络管理员根据实际网络需求，对默认子网掩码进行修改和定制得到的子网掩码。通过自定义子网掩码，可以将一个网络划分为多个更小的子网，以满足不同部门、区域或业务的需求。

4. IP子网划分

子网划分是将一个大的 IP 网络划分成多个较小的子网的过程。它通过改变子网掩码，从原来的主机位中借用若干位作为子网位，从而将一个大的网络划分为多个更小的子网，每个子网可以独立管理和分配 IP 地址。

子网划分一般步骤

确定要划分多少子网以及每个子网所需的主机数量。 根据网络的实际情况，比如企业的部门数量、不同功能区域的数量等，确定需要划分的子网数量。然后根据每个子网中预计连接的设备数量，确定出子网段的可用IP数量。
确定所需保留的主机位数。 每个子网所需的主机数量，确定子网段需要保留的主机位数。主机位数和子网可用IP数量之间的关系是：可用IP数量 = 2的n次方 - 2（n 为主机位数）。例如，子网需要支撑60台主机，因为 2的6次方 -2= 62 > 60 ，所以至少需要保留 6 位主机位。
确定新的子网掩码。 根据保留的主机位数，修改原来的子网掩码。例如，对于一个 C 类网络，默认子网掩码是 255.255.255.0/24，如果保留 6 位主机位，那么新的子网掩码就是 255.255.255.192/26，因为原来的 24 位网络位加上借用的 2 位子网位，总共是 26 位网络位。
确定子网范围。
网络地址（网络号）：将 IP 地址与新的子网掩码进行逻辑与运算，得到每个子网的网络地址。
广播地址：广播地址是每个子网中主机位全为 1 的地址。
可用 IP 地址范围：可用 IP 地址范围是介于网络地址和广播地址之间的地址。

IP子网划分举例

待分配网段：192.168.1.0/24。
部门 A 有 50 台设备。
部门 B 有 20 台设备。
部门 C 有 10 台设备。
部门 D 有 5 台设备。
给各个部门分配合适网段地址。

根据要求得知需要划分4个网段，每个部门的设备数量为每个网段的期望可用IP数量，计算得到每个子网段的主机位数，进而确定网段子网掩码。

部门	设备数量	主机位计算式子	主机位	对应掩码
部门A	50	$2^5-2=30 < 50 < 2^6-2=62$	6位	/26
部门B	20	$2^4-2=14 < 20 < 2^5-2=30$	5位	/27
部门C	10	$2^3-2=6 < 10 < 2^4-2=14$	4位	/28
部门D	5	$2^2-2=2 < 5 < 2^3-2=6$	3位	/29

根据得到的网段对应掩码对待分配网段192.168.1.0/24进行划分。

部门	掩码	网络地址（网络号）	广播地址	可用IP范围
部门 A	/26	192.168.1.0/26	192.168.1.63	192.168.1.1 - 192.168.1.62
部门 B	/27	192.168.1.64/27	192.168.1.95	192.168.1.65 - 192.168.1.94
部门 C	/28	192.168.1.96/28	192.168.1.111	192.168.1.97 - 192.168.1.110
部门 D	/29	192.168.1.112/29	192.168.1.119	192.168.1.113 - 192.168.1.118

经过上述分配后，还剩下 192.168.1.120 - 192.168.1.255 这些地址可用于未来扩展或者分配给其他部门。

补充

按照传统子网划分规则，主机位为 1 位的 /31 子网没有可用的主机地址。因为在常规概念里，网络地址（主机位全为 0）和广播地址（主机位全为 1）不能作为主机地址使用。
但后来，RFC 3021 对 /31 子网进行了重新定义，允许在点到点链路中使用 /31 子网。在点到点连接的场景下，比如两个路由器之间通过一条专线直接相连，或者是两个数据中心之间建立的专用链路，这种连接只需要两个设备进行通信，正好可以使用 /31 子网中的两个地址分别分配给链路两端的设备。此时，不再区分网络地址和广播地址，两个地址都可以作为可用的主机地址来使用，从而有效地节省了 IPv4 地址资源。

所以在一般情况下，子网掩码到/30就是极限了。

5. IP超网合并

超网合并，也称为无类别域间路由（CIDR）聚合，是一种将多个连续的小网络合并成一个较大网络的技术，有助于减少路由表的条目数量，提高路由效率。
在这里插入图片描述

例如，原本是四个不同的子网段，正常情况下在路由器上的路由表中会有四条下连网段的路由条目，并且会把它通告给其他路由器。通过实施CIDR技术，我们可以在企业的路由器上把这四条路由10.24.0.0/24，10.24.1.0/24，10.24.2.0/24，10.24.3.0/24汇聚成一条路由10.24.0.0/22。这样，企业路由器只需通告10.24.0.0/22这一条路由，大大减小了路由表的规模。

超网合并的前提条件

连续的 IP 地址块。 用于合并的小网络 IP 地址必须是连续的，也就是在数值上相邻。比如，192.168.0.0 - 192.168.7.0 这样连续的地址范围才有可能进行合并。
存在共同前缀。 这些连续的 IP 地址块要有一定数量的相同前缀位。共同前缀位的多少决定了超网的大小，共同前缀位越多，超网就越小；反之，超网就越大。

超网合并的一般步骤

确定需要进行超网合并的小网络。 确定需要进行超网合并的小网络，这些小网络的 IP 地址必须是连续的，也就是在数值上相邻。将这些连续的 IP 地址块整理出来，记录每个网络的地址和子网掩码，方便后续进行分析和处理。
IP地址转换为二进制表示。 将收集到的每个 IP 地址和对应的子网掩码转换为 32 位的二进制形式。因为在二进制层面更容易找出它们的共同前缀。
找出共同前缀。 对转换后的二进制 IP 地址进行逐位比较，从左到右找出所有地址中相同的二进制位，这些相同的位就是共同前缀。统计共同前缀的位数，这个位数将决定超网的子网掩码。
确定超网地址和子网掩码。 超网地址是由共同前缀后面补 0 得到的。子网掩码由共同前缀的位数决定，用 CIDR 表示法表示为 “/ 共同前缀位数”。

IP超网合并举例

将192.168.0.0/24和192.168.1.0/24 两个C类网络合并。

# 192.168.0.0/24的二进制显示：
11000000 10101000 00000000 00000000

# 192.168.1.0/24的二进制显示：
11000000 10101000 00000001 00000000

将转化成二进制的网段进行逐位对比，找到相同的二进制位，统计这些共同前缀23位。
在这里插入图片描述
继而得到超网的网络地址和子网掩码。

# 超网网络地址
11000000 10101000 00000000 00000000
192.168.0.0

# 超网子网掩码
11111111 11111111 11111110 00000000
255.255.254.0
/23

总之，IP 地址作为互联网的基础组成部分，其重要性不言而喻。无论是 IP 地址的分类、子网掩码的运用，还是子网的划分，每一个知识点都相互关联，共同构建起了网络通信的基础框架。随着互联网技术的不断发展，对 IP 地址的理解和掌握将有助于我们更好地应对各种网络挑战。