第七章 IP地址与ARP协议IP地址是互联网使用的一种通用地址形式，用于标识互联网上的结点到一个网络的连接。

而ARP协议则用于将IP地址映射到物理地址。

7.1 IP地址的作用以太网利用MAC地址（物理地址）标识网络中的一个结点，两个以太网结点的通信需要知道对方的MAC地址。

但是，以太网并不是唯一的网络，世界上存在着各种各样的网络，这些网络使用的技术不同，物理地址的长度、格式等表示方法也不相同〔例如以太网的物理地址采用48位的二进制数表示，而电话网则采用14位的十进制数表示）。

因此，如何统一结点的地址表示方式、保证信息跨网传输是互联网面临的一大难题。

显然，统一物理地址的表示方法是不现实的，因为物理地址表示方法是和毎一种物理网络的具体特性联系在一起的。

因此，互联网各种物理网络地址的“统一”必须通过上层软件完成。

确切地说，互联网对各种物理网络地址的“统一”要在IP层完成。

IP协议提供了一种互联网通用的地址格式，该地址由32位的二进制数表示，用于屏蔽各种物理网络的地址差异。

IP协议规定的地址叫做IP地址，IP地址由IP地址管理机构进行统一管理和分配，保证互联网上运行的设备(如主机、路由器等）不会产生地址冲突。

在互联网上，主机可以利用IP址标识。

但是，一台IP地址标识一台主机的说法并不准确。

严格地讲，IP地址指定的不是一台主机，而是主机到一个网络的连接。

因此，具有多个网络连接的互联网设备就应具有多个IP地址；在图7-1中，路由器的两个连接分别与两个不同的网络相连，因此它应具有两个不同的IP 地址。

多宿主主机（装有多块网卡的计算机）由于每一块网卡都可以提供一条物理连接，因此它也应该具有多个IP地址。

在实际应用中，还可以将多个IP地址绑定到一条物理连接上，使一条物理连接具有多个IP地址。

图7-1 单网卡双地址多个ip地址两个网卡7. 2 IP 地址的组成7.2. 1 IP 地址的层次结构一个互联网包含多个网络，而一个网络又包含多台主机，W 此，互联网是具有层次结构，如图7-2所示。

与互联网的层次结构对应，互联网使用的IP 地址也釆用了层次结构，如 图7-3所示。

由网络号（netid)和主机号（hostid)两个层次组成。

网络号用来标识互联网中的一个特定网络，而主机号则用来表示该网络中主机的一个特定连接，因此，IP 地址的编址方式明显地携带了位置信息。

如果给出一个具体的IP 地址，马上就能知道它位于哪个网络， 这给IP 互联网的路由选择带来很大好处。

由于IP 地址不仅包含了主机本身的地址信息，而且还包含了主机所在网络的地址信息，因此，在将主机从一个网络移到另一个网络时，主机IP 地址必须做出修改以正确地反映这个 变化。

在图7-4中，如果具冇IP 地址202. 113 100. 81的计算机需要从图7-3IP 地址的层次结构图7-2 互联网的层次结构网络1移动到网络2，那么，当它加入网络2后，必须为它分配新的IP地址（如202.113.101.66），否则就不可能与互联网上的其他主机正常通信。

7-4 主机在物理网络间的移动实际上，IP地址与生活中的邮件地址非常相似。

生活中的邮件地址描述了信件收发人的地理位置，也具有一定的层次结构（如城市、区、街道等）。

如果收件人的位置发生变化(如从一个区搬到了另一个区），那么邮件的地址就必须随之改变，否则邮件就不可能送达收件人。

7.2.2 IP地址的分类IP协议规定，IP地址的长度为32比特。

这32比特包括了网络号部分和主机号部分。

那么，在这32个比特中，哪些比特代表网络号，哪些比特代表主机号呢？这个问题看似简单，意义却很重大。

因为当地址长度确定后，网络号长度将决定整个互联网中能包含多少个网络，主机号长度则决定每个网络能容纳多少台主机。

在互联网中，网络数是一个难以确定的因素，而不同种类的网络规模也相差很大。

有的网络具有成千上万台主机，而有的网络仅仅有几台主机。

为了适应各种网络规模的不同，IP 协议将IP地址分成A、B、C、D和E5类，它们分别使用IP地址的前几个比特加以区分，如图7-5所示。

从图中可以看到，利用IP地址的前4位就可以分辨出它的地址类型。

但事实上，因为D类和E类IP地址很少使用，因此只需利用前两位就能做出判断。

图7-5 5类IP地址每类地址所包含的网络数与主机数不同，用户可根据网络的规模进行选择。

A类IP地址用7位表示网络，24位表示主机，因此，它可以用于大型网络。

B类IP地址用于中瘦规模的网络，它用14位表示网络，16位表示主机。

而C类IP地址仅用8位表示主机，21位用于表示网络，在一个网络中最多只能连接256台设备，因此，适用于较小规模的网络。

最后，I) 类IP地址用于多目的地址发送，而则保留为今后使用。

IP地址的分类是经过精心设计的，它能适应不同的网络规模，具有一定的灵活性。

表7-1简要地总结了A、B、C三类IP地址可以容纳的网络数和主机数。

7.2.3 IP地址的直观表示法IP地址由32位二进制数值组成（4个字节），但为了方便用户的理解和记忆，它采用了点分十进制标记法，即将4个字节的二进制数值转换成四个十进制数值，每个数值小于255,数值中间用“.”隔开，表示成w.x.y.z的形式，如图7-6所示。

图 7-6 IP地址的点分十进制标记法例如：二进制IP 地址： 11001010 01011101 01111000 00101100 字节1 字节4字节3 字节2 用点分十进制表示法表示成：202.93.120.44202.93.120.44为一个C 类IP 地址，前三个字节为网络号，最后一个字节为主机号。

7.3 特殊的IP 地址形式IP 地址除了可以表示主机的一个物理连接外，还有几种特殊的表现形式。

7.3.1网络地址在互联网中，经常需要使用网络地址。

那么，怎么表示一个网络呢？ IP 地址方案规定，网络地址包含了一个有效的网络号和一个全“0”的主机号。

例如，在A 类网络中，地 113.0.0. 0表示该网络的网络地址。

而一个拥有IP 地址为202. 93. 120. 44的主机所处的网络 202. 93. 120.0,它的主机号为44。

7. 3.2广播地址当一个设备向网络上所有的设备发送数据时，就产生了广播。

为了使网络上所有设备能够注意到这样一个广播，必须使用一个可进行识别和侦听的IP 地址。

通常这样的IP 地址以“1”结尾。

IP广播有两种形式，一种叫直接广播，另一种叫有限广播。

1.直接广播如果广播地址包含一个有效的网络号和一个全“1”的主机号，那么技术上称之为直接广播（directed broadcasting)地址。

在IP互联网中，任意一台主机均可向其他网络进行直接广播。

例如C 类地址202. 93. 120. 255就是一个直接广播地址。

互联网上的一台主机如果使用该IP地址作为数据报的目的IP地址，那么这个数据报将同时发送到202. 93. 120.0网络上的所有的主机。

直接广播通常用于一个网络上的主机向另一个网络中的所有主机发送信息。

但是，出于安全性考虑，网络管理员通常会禁止路由器转发直接广播数据报。

因此，利用直接广播地址的应用非常少。

2.有限广播32比特全为“1”的IP地址（255.255.255.255)用于本网广播，该地址叫做有限广播limited broadcasting)地址。

实际上，有限广播将广播限制在最小的范围内。

如果采用标准的IP编址，那么仅限广播将被限制在本网络之中；如果采用子网编址（见7.5节），那么有限广播将被限制在本子网之中。

有限广播不需要知道网络号。

因此，在主机不知道本机所处的网络时（如主机的启动过程中），只能采用有限广播方式。

7. 3. 3 回送地址A类网络地址127. 0.0.0是一个保留地址，用于网络软件测试以及本地机器进程间通信。

这个IP地址叫做回送地址（loophack address）。

无论什么程序，一旦使用回送地址发送数据，协议软件不进行任何网络传输、立即将之返回。

因此，含有网络号127的数据报不可能出现在任何网络上。

7. 4 编址实例在组网过程中怎么分配IP地址呢？例如，有一个大的组织，它建介4个物理网络，现需要通过路由器将这4个物理网络组成专用的IP互联网。

在为每台主机分配IP地址之前，首先需要按照每个物理网络的规模为它们选择IP地址类别。

小型网络选择C类地址，中型网络选择B类地址，大型网络选择A类地址。

实际上，由于一般物理网络的主机数都不会超过6万台，因此，A类地址很少用到。

在上面所述的专用互联网中，如果3个是小型网络，1个是中型网络，那么，可以为3 个小型网络分配3个C类地址（如202. 113. 27.0、202. 113, 28.0和202. 113. 29. 0)，为1个中型网络分配一个B类地址（如128. 211.0.0)。

图7-7显示了这4个物理网络互联的情况。

图7-7 IP编址实例在为互联网上的主机和路由器分配具体IP地址时需要注意：1)连接到同一网络中所有主机的IP地址共享同一netid。

在图7-7中，计算机A和计算机B都接人了物理网络1，由于网络1分配到的网络地址为202. 113.27.0，所以，计算和B都应共享202. 113. 27这个ne t id。

2）路由器可以连接多个物理网络，每个连接都应该拥有自己的IP地址，而且该IP 的地址netici应与分配给这个网络的netid 相同。

如图7- 7所示，由于路由器R分别连接202. 113.27.0、202. 113.28.0和128. 211. 0. 0这3个网络，因此该路山器被分配了3个不IP地址。

其中连接网络1的IP地址给具有网络1的netid (202.113.27)，而连接其他网络的IP地址则必须具存所连接网络的ndid。

7.5.子网编址在IP互联网中，A类、B类和C类IP地址。

由于经过网络号和主机号的层次划分，它们能适应于不同的网络规模。

使用A 类IP地址的网络可以容纳1600万台主机，而使用C类IP地址的网络仅可以容纳254台主机。

但是，随着计算机的发展和网络技术的进步，个人电脑应用迅速普及，小型网络（特别是小型局域网络）越来越多。

这些网络多则拥有几十台主机，少则拥有两三台主机。

对于这样一些小规模网络即使采用一个C类地址仍然是一种浪费（因为一个C类地址可以容纳254台主机），因而在实际应用中，人开始寻找新的解决方案以克服IP地址的浪费现象。

子网编址就是其中之一。

7. 5. 1 子网编址方法我们已经知道，IP地址具有层次结构，标准的IP地址分为网络号和主机号两层。

为了避免IP 地址的浪费，子网编址将IP地址的主机吁部分进一步划分成子网部分和主机部分，如图7-8所示。

图7-8 子网编址的层次结构为了创建一个子网地址，网络管理员从标准IP 地址的主机号部分“借”位并把它们指定为子网号部分。