網路層（三）分類的IP地址
引言
我們把整個因特網看成是一個單一的，抽象的網路。IP地址就是給因特網上的每一臺主機（或路由器）的 每一個介面 分配一個在全世界範圍是唯一的32位的識別符號。IP地址的編址方法共經歷了分類、改進分類、無分類三個歷史階段，本文將介紹基礎的分類編址方式，以輔助後面第四、第五篇筆記介紹改進分類（子網劃分）及無分類（超網構成）
IP層次結構
層次化IP地址
以前人們打座機電話前面都要加幾位區號，你一撥前面的區號，電話交換機才知道轉到哪去。回到上圖，假設現在有一個數據包的目的地址是 192.168.1.0 ，路由器收到資料包，只要看到 192.168.1 ，就往第一個網段傳送了。 路由器根本不管到某一臺計算機怎麼走，他只關心到某一個網段怎麼走 。這就是將IP地址分成網路ID和主機ID的意義。
分類的IP地址結構
所謂的“分類的IP地址”就是將IP地址劃分為若干類，每一類地址都由兩個固定長度的欄位組成，其中第一個欄位是 網路號（net-id） ,它標誌主機（或路由器）所連線到的網路。 一個網路號在整個因特網範圍內是唯一的 。第二個欄位是 主機號（host-id） ，它標誌該主機（或路由器）。 一個主機號在它前面的網路號所指明的網路範圍內是唯一的 。由此可見，一個IP地址在整個網路範圍內是唯一的
這種兩級的IP地址可以記為： IP 地址 ::= { <網路號>, <主機號>} ，圖1給出了各種IP地址的網路號欄位和主機號欄位，這裡A類、B類和C類地址都是單播地址，是最常用的
由上圖可以得到以下資訊：
- A類、B類和C類地址的網路號欄位，分別是8、16和24位，而在網路號欄位的最前面有1~3位的類別號，其數值分別規定為0、10和110
- A類、B類和C類地址的主機號欄位分別為24、16和8個位元組長
- D類地址（前4位1110）用於多播（一對多通訊）
- E類地址（前四位1111）保留為以後用
A、B、C類常用地址及劃分依據
從IP地址的結構來看， IP地址並不僅僅指明一個主機，而且還指明瞭主機所連線到的網路
把IP地址劃分為A、B、C三個類別，當初是這樣考慮的， 各種網路的差異很大 ，有的網路擁有很多主機，有的網路上主機則很少。把IP地址劃分為A類、B類、C類是為了更好 滿足不同使用者的要求 。當一個單位申請到一個IP地址時，實際上是獲得了同樣網路號的一塊地址。其中具體的各個主機號則由該單位自行分配，只要做到單位管轄的範圍內無重複的主機號即可
A類地址
A類地址的網路號欄位有8位，只有7位可供使用（該欄位第一位固定為0），但可指派的網路號是126個（即127-2）。減2的原因是：第一，網路號欄位為全0的IP地址是個保留地址，意思是“本網路”。第二，網路號為127即（01111111）保留作為 本地軟體環回測試 本主機的程序之間通訊之用
若主機發送一個目的地址為環回地址（如127.x.x.x）的IP資料報，則本主機中的協議軟體就處理資料報中的資料，不會把資料報傳送到任何網路。目的地址為環回地址的IP資料報永遠不會出現在任何網路上，因為網路號為127的地址根本不是一個網路地址
A類地址的主機號佔24位，因此每一個A類網路中的最大主機號為$2^{24}-2$，即16777214。這裡減2的原因是：全0的主機號欄位表示該IP地址是“本主機”所連線到的 單個網路地址 （例如一主機IP地址為5.6.7.8，則該主機所在的網路地址就是5.0.0.0）。全1表示 所有的 （all），因此全1的主機號欄位表示該網路上的所有主機
IP地址空間共有$2^{32}$即4294976296個地址。整個A類地址空間共有$2{31}$個地址，佔有整個地址空間的50%
B類地址
B類地址的網路號欄位有16位，但前面兩位（10）已經固定了，只剩下14位可以進行分配。因為網路號欄位後面的14位無論怎樣取值也不可能出現使整個2位元組網路號欄位稱為全0或者全1，因此這裡不存在網路總數減2的問題。但實際上B類網路地址128.0.0.0是不指派的，可以指派的B類最小地址為128.1.0.0.因此B類地址可指派的網路數為$2^{14}-1$，即16383。B類地址的每一個網路上最大主機數是$2^{16}-2$，即65534，減去的是全0和全1的主機號。整個B類地址空間共約有$2^{30}$個地址，佔整個IP地址空間的25%
C類地址
C類地址有24位網路號欄位，最前面的3位是（110），還有21位可以進行分配。C類網路地址192.0.0.0也是不指派的，可以指派的C類地址最小是192.0.1.0，因此C類地址可指派的網路總數是$2^{21}-1$，即2097151.每一個C類地址最大主機數是$2^8-2$，即254。整個C類地址空間共約有229個地址，佔整個IP地址的12.5%
IP地址的指派範圍
IP地址的一些重要特點
-
IP 地址是一種分等級的地址結構。分兩個等級的好處是：
- IP 地址管理機構在分配 IP 地址時只分配網路號，而剩下的主機號則由得到該網路號的單位自行分配。這樣就 方便了IP地址的管理
- 路由器僅根據目的主機所連線的網路號來轉發分組（而不考慮目的主機號），這樣就可以使路由表中的專案數大幅度減少，從而 減小了路由表所佔的儲存空間
- 實際上 IP 地址是標誌一個主機（或路由器）和一條鏈路的介面
當一個主機同時連線到兩個網路上時，該主機就必須同時具有兩個相應的 IP 地址，其網路號 net-id 必須是不同的。這種主機稱為多歸屬主機(multihomed host)
由於一個路由器至少應當連線到兩個網路（這樣它才能將 IP 資料報從一個網路轉發到另一個網路），因此 一個路由器至少應當有兩個不同的 IP 地址
- 按照因特網的定義，一個網路是指具有相同網路號net-id的主機的集合，因此 用轉發器或網橋連線起來的若干個區域網仍為一個網路 ，因此這些區域網都具有同樣的網路號 net-id
- 在IP地址中，所有分配到網路號 net-id 的網路，不論是範圍很小的區域網，還是覆蓋很大地理範圍的廣域網，都是平等的
一個實際的例子
圖中畫出了三個區域網LAN1、LAN2、LAN3。這三個區域網通過三個路由器(R1、R2、R3)互連起來構成了一個網際網路（用虛線圓角方框表示）。其中區域網LAN2是通過網橋B互連的。圖中圓圈表示需要一個IP地址
結合上面內容及IP地址特點，我們應該注意到：
- 在 同一個區域網上的主機或路由器的IP 地址中的網路號必須是一樣的。 圖中的網路號就是 IP 地址中的 網路號欄位的值
- 路由器總是具有兩個或兩個以上的 IP 地址。 路由器的每一個介面都有一個不同網路號的 IP 地址
- 兩個路由器直接相連的介面處，可指明也可不指明 IP 地址。 如指明IP地址，則這一段連線就構成了一種只包含一段線路的特殊“網路”（如圖中N1、N2、N3）。之所以稱之為網路，因為他們有IP地址、但為了節省IP地址，對於這種僅由一段連線構成的特殊“網路”，現在常不指明 IP 地址。稱為 無編號網路 或者 無名網路
- 用網橋（它只在資料鏈路層工作）互連的網段仍然是一個區域網 ，只能有一個網路號
備註：實際可以分配的IP數量 = 可指派的網路號數量*單個網路最大主機數，以A類地址為例，（27 - 2) *（224-2)，可以粗略記為$2^{31}$