IP地址的規劃和設計方法(一)
一，IP地址的概念和劃分地址新技術的研究
(1)標準分類的IP地址
第一階段是在IPv4協議制定的初期，時間大致在1981年左右。那時候網路的規模比較小，使用者一般是通過終端，
經過大型計算機或中小型計算機接入ARPANET。
IP地址是由網路號與主機號組成的，長度是32bit，用點分十進位制方法表示，這樣就構成了標準分類的IP地址。常
用的A類、B類、C類IP地址採用包括“網路號-主機號”的兩層結構層次（RFC1812）。A類地址的網路號長度是7bit，
實際允許分配A類地址的網路只能有126個。B類地址的網路號長度是14bit，因此允許被分配B類地址的只能有16384
個。
(2)劃分子網的三級地址結構
第二階段是在標準分類的IP地址基礎上，增加子網號的三級地址機構。
人們認為A類與B類IP地址設計不合理，對IP地址的匱乏表示強烈的擔憂。1991年研究人員提出了子網subnet和
掩碼mask的概念。構成子網就是將一個大的網路劃分成幾個較小的子網路，將傳統的“網路號-主機號”的兩級結構，
變為“網路號-子網號-主機號”的三級結構。
(3)構成超網的無類域間路由（CIDR）技術
第三個階段是1993年提出了無類域間路由（ClasslessInterDomainRouting,CIDR）技術（RFC1519）
無類域間路由的出現是希望解決Internet擴充套件中存在的兩個問題：
a)32位IP地址空間可能在第40億臺主機接入Internet前就耗盡。
b)隨著越來越多的網路地址出現，主幹網的路由表增大，路由器負荷增加，服務質量下降。
無類域間路由CIDR技術也被稱為超網技術。構成超網的目的是將現有的IP地址合併成較大的、具有更多主機地
址的路由域。例如，可以將一個組織所屬的C類網絡合併到一個更多的地址範圍的大的路由域中。
(4)網路地址轉換（NAT）技術
第四個階段是1996年提出的網路地址轉換（NAT）技術(RFC2993、RFC3022)。
網路地址轉換設計的基本思路：為每一個公司分配一個或少量的IP地址，用於傳輸Internet的流量。在公司內部的
每一臺主機分配一個不能夠在Internet上使用的保留的專用IP地址（RFC1918）。
專用IP地址是Internet管理機構預留的，任何組織使用都不需要向Internet管理機構申請，所以網路管理人員都應
該知道這些地址是為專用網路內部使用的。這類地址在專用網路內部中是唯一的，但是在Internet中並不是唯一的。
專用IP地址用於內部網路的通訊，如果需要訪問外部Internet主機，必須由執行網路地址轉換的主機或路由器將內
部的專用IP地址轉換成全域性IP地址。
二,標準分類的IP地址
IPv4的地址長度為32bit，用點分十進位制（dotteddecimal）表示。通常採用x.x.x.x的方式來表示，每個x為8bit，每
個x的值為0~255,例如，202.113.29.119。
標準分類的IP地址：
(1)A類地址
A類地址網格號（netID）的第一位為0，其餘的各位可以分配。因此A類地址共被分為大小相同的128塊,每一塊的
netID不同。
第一塊覆蓋的地址為：0.0.0.0~0.255.255.255（netID=0）
第二塊覆蓋的地址為：1.0.0.0~0.255.255.255（netID=1）
……
最後一塊覆蓋的地址為：127.0.0.0~0.255.255.255（netID=127）
但是，第一塊和最後一塊地址留作特殊用途，另外netID=10的10.0.0.0~10.255.255.255用於專用地址，其餘的
125塊可指派給一些機構。因此能夠得到A類地址的機構只有125個。每一個A類網路可以分配的主機號hostID可以是2
的24方-2=16777214個，主機號為全0和全1的兩個地址保留用於特殊目的。
(2)B類地址
B類地址的網路號長度為14位，網路號總數為16384。B類地址的主機號長度為為16位，因此每個B類網路可以有
2的16次方=65536個主機號。但是，主機號為全0和全1的兩個地址保留用於特殊目的，因此實際上一個B類IP地址允
許分配的主機號位65534個。
(3)C類地址
C類IP地址網路號長度為21位，主機號長度為8位。因為網路號長度為21位，因此允許有2的21次方=2097152個
不同的C類網路。由於主機號長度為8位，因此每個C類網路的主機號數最多為2的8、次方=256個。同樣，主機號為全
0和全1的兩個地址保留用於特殊目的，因此實際上一個C類IP地址允許分配的主機號為254個。
(4)特殊地址形式
特殊的IP地址包括：直接廣播（directedbroadcasting）地址、受限廣播（limitedbroadcasting）地址、“這個網路
上的特定主機”地址和回送地址（loopbackaddress）。
a)直接廣播地址
在A類、B類、C類IP地址中，如果主機號是全1(二進位制)，那麼這個主機號為直接廣播地址，它是用來使路由器將
一個分組以廣播方式傳送給特定網路上的所有主機。例如，主機要以廣播方式傳送一個分組給特定網路（網路地址為
201.161.20.0）上的所有主機，那麼需要使用直接廣播地址，這個直接廣播地址為201.161.20.255。
b)受限廣播地址
2位(網路位和主機位)全為1的廣播地址（255.255.255.255）為受限廣播地址，用來將一個分組以廣播方式傳送
給本網路中的所有主機。路由器則阻擋該分組通過，將其廣播功能限制在本網內部。
c)“這個網路上的特定主機地址”
當一個主機或一個路由器向本網路的某個特定的主機發送一個分組，那麼它就需要使用“這個網路上的特定主
機”地址。“這個網路上的特定主機”的網路號位全0(二進位制)，主機號為確定的值。這樣的分組被限定在本網內部，由主
機號對應的主機接收。例如，主機要向本網路中的某個主機（IP地址為201.161.20.18）傳送一個分組，那麼需要使
用“這個網路上是特定主機地址”，這個地址為0.0.0.18。
d)回送地址
A類地址中的127.0.0.0是回送地址，它是一個保留地址。回送地址是用於網路軟體測試和本地程序間通訊。
TCP/IP協議規定：含網路號為127的分組不能出現在如何網路上；主機和路由器不能為該地址廣播任何定址信
息。“Ping”應用程式可以傳送一個將回送地址作為目的地址的分組，以測試IP軟體是否接收或傳送一個分組。一個客
戶程序可以使用回送地址來發送一個分組給本機的另一個程序，用來測試本地程序之間的通訊情況。
三，劃分子網的三級網路結構
(1)子網的基本概
標準分類的IP地址存在著兩個主要的問題：IP地址的有效利用率問題和路由器的工作效率問題。為了解決這個問
題，人們提出了子網（subnet）的概念。RFC940對子網的概念和劃分子網的標準做出了說明。
提出子網概念的基本思路是：允許將網路劃分成多個部分供內部使用，但是對於外部網路，仍然像一個網路一樣。
子網的劃分有利於優化網路效能，改善網路管理。
(2)劃分子網的地址結構
IP地址是層次型結構的，它的長度是32位。標準的A類、B類、C類IP地址是包括網路號（netID）與主機號
（hostID）的兩層層次結構。劃分子網技術的要點是：
a)三級層次是IP地址：netID——subnetID——hostID；
b)同一個子網中所有主機必須使用相同的子網號subnetID
c)子網的概念可以應用於A類、B類、C類中任意一類的IP地址中；
d)子網之間的距離必須很近；
e)分配子網是一個組織和單位內部的事，它既不要向ICANN申請，也不需要改變任何外部
的資料庫；
f)在Internet的文獻中，一個子網也稱為一個IP網路或一個網路。
(3)子網掩碼的概念
當三級層次的IP地址提出後，一個很現實的問題是：如何從一個IP地址中提取出子網號。
人們提出了子網掩碼或掩碼的概念。子網掩碼有時叫做子網遮蔽碼。掩碼的概念同樣適用於沒有進行子網劃分的
A類、B類、C類地址。
A類，B類和C類地址掩碼：
如果路由器處理的是一個標準的IP地址，那麼它只要判斷IP地址的前兩位值，如果是10，那它肯定是一個B類地
址。B類地址的網路號長度為16位，那麼該IP地址的前16表示的是網路號，後16位表示的是主機號。如果路由器在處
理劃分子網之後的三層結構IP地址時，需要給它IP地址和子網掩碼。它需要通過標準地址的前三位判斷該地址的A類、
B類或C類地址，同時根據子網掩碼判斷出子網號。標準的B類地址的16位的網路號是不變的，如果需要劃分出64個子
網，那麼就可以借用原16位主機號的6位，該子網的主機號就變成了10位。子網掩碼用點分十進位制表示為
255.255.252.0，另一種表示方法是用“/”加上網路號+子網號的長度，即“網路號/22”表示。
在某種情況下，在子網劃分時子網號長度可以是不同的。IP地址協議允許使用變長子網的劃分。子網號為7的子網掩碼：
四，無類域間路由（CIDR）技術
(1)無類域間路由技術的基本概念
從無類域間路由的命名就可以看出，CIDR的研究思路是：將剩餘的IP地址不是按照標準的地址分類規則分配，
而是以可變大型的塊方法進行分配。ISP、大學、機關與公司在確定IP地址結構時，不是限制於標準分類的IP地址結
構，而是根據對IP地址管理和路由器的需要來靈活地決定。無類域間路由技術的特點主要有以下兩點：
a)CIDR使用區別於傳統標準分類的IP地址和劃分子網概念的“網路字首
(network-prefix)”，代替“網路號+主機號”，形成新的無分類的二級地址結構，即IP地址表示為<網路字首>,<主機號>。
b)CIDR將網路字首相同的連續的IP地址組成一個“CIDR地址塊”。
一個CIDR地址塊是由塊起始地址和塊地址數來表示的。地址塊的起始地址是指地址塊中地址數值最小的一個。
例如，當200.16.23.0/20表示的是一個地址塊時，它的起始地址是200.16.23.0，地址塊中的地址數是2的12次方。因
為在這個地址塊中，網路字首表示對應20位的網路號是確定的，可以由獲得這個地址塊的機構分配的主機數有2的12
次方個，也就是說這個機構可以分配的地址數有2的12次方個。
(2)在A類、B類和C類IP地址中，如果主機號為全1，那麼這個地址為廣播地址。在無類域間路由中，廣播地址也
採用相同的原則。例如網路156.25.0.0/16中的廣播地址應該是將16位的主機號置1，即156.25.255.255；網路
156.25.0.0/24的廣播地址應該是將8位的主機號置1，即156.25.0.255；網路156.25.0.0/28的廣播地址是將4位的主機
號置1，即156.25.0.15；網路195.1.22.64/27的廣播地址具有考慮5位的主機號置1。由於64的二進位制數為01000000，
後5位的主機號置1之後為01011111（為十進位制位95），那麼網路195.1.22.64/27的廣播地址為195.1.22.95。
(3)網路字首越短，其地址塊所包含的地址數越多。
(4)CIDR地址規劃方法示例：
五，專用IP地址和內部網路地址劃分方法
(1)全域性IP地址與專用IP地址
RFC1518對A類、B類、C類地址中全域性IP地址和專用IP地址的範圍做出了規定。全域性IP地址與專用IP地址的區別
主要表現在以下幾點：
a）使用IP地址的網路可以分為兩種情況：一種是要將網路之間連到Internet；另一種是也需要執行TCP/IP協議，
但是它是內部網路，並不直接連線到Internet，但網路內部使用者訪問Internet是受到嚴格控制的。
b)使用全域性IP地址是需要申請的，而專用IP地址是不需要申請的。預留地址如表3-2所示:
c)全域性IP地址必須保證在Internet上是唯一的；專用IP地址在某一個網路內部是唯一的，但是在Internet中並不是
唯一的。IPv4為內部網路預留的專用IP地址有三組。第一組是A類地址的一個地址塊，這個地址中的地址空間為
10.0.0.0~10.255.255.255；第二組是B類地址的16個地址塊（172.16~172.31）；第三組是C類地址的256個地址塊
（192.168.0~192.168.255）
(2)NAT方法的侷限性
a)NAT違反了IP地址結構模型的設計原則。IP地址結構模型的基礎是每個IP地址均標識了一個網路的連線。
Internet的軟體設計就是建立在這個前提之上的，而NAT使得有很多主機可能在使用相同的IP地址，如10.0.0.1。
b)NAT使得IP協議從面向無連線變成了面向連線。NAT必須維護專用IP地址與公用IP地址以及埠號的對映關
系。在TCP/IP協議體系中，如果一個路由器出現故障，不會影響TCP/IP協議的執行。因為只有幾秒鐘收不到應答，
傳送程序就會進入超時重傳處理。而當存在NAT時，最初設計的TCP/IP協議將發生變化，Internet可能變得非常脆
弱。
c)NAT違反了基本的網路分層結構模型的設計原則。因為在傳統的網路分層結構模型中，第N層是不能夠修改第
N+1層的報頭內容的。NAT破壞了這個這種各層獨立的原則。
d)有些應用是將IP地址插入到正文的內容中，例如標準的FTP協議與IPPhone協議H.323。如果NAT與這一類協議
一起工作，那麼NAT協議一定需要做適當的修正。同時，網路的傳輸層也可能使用TCP與UDP協議之外的其他協議，
那麼NAT協議必須知道並且做相應的修改。由於NAT的存在，使得P2P應用實現出現困難，因為P2P的檔案共享與語
言共享都是建立在IP協議的基礎上的。
e)NAT同時存在對高層協議和安全性的影響問題。RFC2993對NAT存在的問題進行了討論。NAT的反對者認為這
種臨時性的緩解IP地址短缺的方案推遲了IPv6的遷移的程序，而並沒有解決深層次問題，他們認為是不可取的。