IPv4地址和下一代IP地址

2019-11-04 20:46:31

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供稿：網(wǎng)友

　　ipv4地址基本概念
　　Internet依靠TCP／IP協(xié)議，在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同硬件結(jié)構(gòu)、不同操作系統(tǒng)、不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的互聯(lián)。在Internet上，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都依靠惟一的IP地址互相區(qū)分和相互聯(lián)系。每個(gè) IP地址都包含兩部分網(wǎng)絡(luò)ID和主機(jī)ID。網(wǎng)絡(luò)ID標(biāo)識(shí)在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上的所有宿主機(jī)，主機(jī)ID標(biāo)識(shí)該物理網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)宿主機(jī)，于是整個(gè)Internet上的每臺(tái)計(jì)算機(jī)都依靠各自惟一的IP地址來(lái)標(biāo)識(shí)。IP地址構(gòu)成了整個(gè)Internet的基礎(chǔ)，從網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)考慮，一個(gè)IP地址必須指明兩點(diǎn)：
　　
　　1.屬于哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)
　　
　　2.是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的哪臺(tái)主機(jī)
　　
　　于是，IP地址的格式為：網(wǎng)絡(luò)號(hào)、主機(jī)號(hào)。
　　
　　一.IP地址的類(lèi)型及其表示
　　目前因特網(wǎng)使用的地址都是IPv4地址，32比特，通常用4個(gè)點(diǎn)分十進(jìn)制數(shù)表示，如：202.112.14.1。它主要由兩部分組成：一部分是用于標(biāo)識(shí)所屬網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址；另一部分是用于標(biāo)識(shí)給定網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)特定的主機(jī)的主機(jī)地址。為了給不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)提供必要的靈活性，IP的設(shè)計(jì)者將IP地址空間劃分為幾個(gè)不同的地址類(lèi)別，地址類(lèi)別的劃分就針對(duì)于不同大小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　A類(lèi)網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)號(hào)為1個(gè)字節(jié)，定義最高比特為0，余下7比特為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，主機(jī)號(hào)則有24比特編址。用于超大型的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有16777216(224)臺(tái)主機(jī)(邊緣號(hào)碼如全“0”或全“1”的主機(jī)有非凡含義，這里沒(méi)有考慮)。全世界總共有128(27)個(gè)A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)，早已被瓜分完了。
　　
　　B類(lèi)網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)號(hào)為2字節(jié)，定義最高比特為10，余下14比特為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，主機(jī)號(hào)則可有16比特編址。B類(lèi)網(wǎng)是中型規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，總共有16384(214)個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有65536(216)臺(tái)主機(jī)(也忽略邊緣號(hào)碼)。
　　
　　C類(lèi)網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)號(hào)為3字節(jié)，定義最高三比特為110，余下21比特為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，主機(jī)號(hào)僅有8比特編址。C類(lèi)地址適用的就是較小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)了，總共有2097152(221)個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有256(28)臺(tái)主機(jī)(忽略邊緣號(hào)碼)。
　　
　　D類(lèi)網(wǎng)：不分網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)，定義最高四比特為1110，表示一個(gè)多播地址，即多目的地傳輸，可用來(lái)識(shí)別一組主機(jī)。
　　
　　如何識(shí)別一個(gè)IP地址的屬性？只須從點(diǎn)分法的最左一個(gè)十進(jìn)制數(shù)就可以判定其歸屬。例如，1～126屬A類(lèi)地址，128～191屬B類(lèi)地址，192～223屬C類(lèi)地址，224～239屬D類(lèi)地址。除了以上四類(lèi)地址外，還有E類(lèi)地址，但暫未使用。
　　
　　對(duì)于因特網(wǎng)IP地址中有特定的專(zhuān)用地址不作分配：
　　
　　(1)主機(jī)地址全為“0”。不論哪一類(lèi)網(wǎng)絡(luò)，主機(jī)地址全為“0”表示指向本網(wǎng)，常用在路由表中。
　　
　　(2)主機(jī)地址全為“1”。主機(jī)地址全為“1”表示廣播地址，向特定的所在網(wǎng)上的所有主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)。
　　
　　(3)四字節(jié)32比特全為“1”。若IP地址4字節(jié)32比特全為“1”，表示僅在本網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行廣播發(fā)送。
　　
　　(4)網(wǎng)絡(luò)號(hào)127。TCP／IP協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)號(hào)127不可用于任何網(wǎng)絡(luò)。其中有一個(gè)非凡地址：127.0.0.1稱(chēng)之為回送地址(Loopback)，它將信息通過(guò)自身的接口發(fā)送后返回，可用來(lái)測(cè)試端口狀態(tài)。
　　
　　二.IP地址與路由的關(guān)系
　　為了提高IP地址使用效率及路由效率，在基礎(chǔ)的IP地址分類(lèi)上對(duì)IP編址進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。
　　
　　1.子網(wǎng)編址
　　
　　一般地，32位的IP地址被分為兩部分，即網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)。為提高IP地址的使用效率，子網(wǎng)編址的思想是將主機(jī)號(hào)部分進(jìn)一步劃分為子網(wǎng)號(hào)和主機(jī)號(hào)，即這種模式：網(wǎng)絡(luò)號(hào)子網(wǎng)號(hào)主機(jī)號(hào)。
　　
　　在原來(lái)的IP地址模式中，網(wǎng)絡(luò)號(hào)部分就標(biāo)識(shí)一個(gè)獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)引入子網(wǎng)模式后，網(wǎng)絡(luò)號(hào)部分加上子網(wǎng)號(hào)才能全局惟一地標(biāo)識(shí)一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)。子網(wǎng)編址使得IP地址具有一定的內(nèi)部層次結(jié)構(gòu)，這種層次結(jié)構(gòu)便于IP地址分配和治理。它的使用要害在于選擇合適的層次結(jié)構(gòu)——如何既能適應(yīng)各種現(xiàn)實(shí)的物理網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，又能充分地利用IP地址空間即從何處分隔子網(wǎng)號(hào)和主機(jī)號(hào)。
　　
　　2.子網(wǎng)路由
　　
　　在子網(wǎng)編址模式下，僅憑地址類(lèi)別提取地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)將是不正確的，而必須在路由表的每一個(gè)表目中加入子網(wǎng)掩碼，于是子網(wǎng)編址模式下的路由表?xiàng)l目變?yōu)椋海康木W(wǎng)絡(luò)地址，子網(wǎng)掩碼，下一路由器地址｝，這樣可以用子網(wǎng)掩碼的設(shè)置來(lái)區(qū)分不同的情況，使路由算法更為簡(jiǎn)單。子網(wǎng)號(hào)的位數(shù)是可變的，為了反映有多少位用于子網(wǎng)號(hào)，采用子網(wǎng)掩碼來(lái)區(qū)分。二進(jìn)制表示的掩碼是一系列連續(xù)的“1”，緊跟著一系列連續(xù)的“0”。為“1”的部分代表網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼，而為“0”的部分代表主機(jī)號(hào)碼。我們以10.0.0.1為例，網(wǎng)絡(luò)掩碼255.0.0.0，這樣就把IP地址分成了網(wǎng)絡(luò)部分10和主機(jī)部分0.0.1。于是，每個(gè)A、B和C類(lèi)地址都有一個(gè)自然掩碼，它是由每類(lèi)地址的網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)部分的確切定義產(chǎn)生的掩碼。可以根據(jù)掩碼和IP地址計(jì)算出子網(wǎng)：子網(wǎng)號(hào)＝子網(wǎng)掩碼與IP地址做邏輯“與”運(yùn)算的結(jié)果。
　　
　　3.VLSM可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼
　　
　　VLSM(Variable Length Subnet Mask可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼)，這是一種產(chǎn)生不同大小子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分配機(jī)制，指一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以配置不同的掩碼。開(kāi)發(fā)可變長(zhǎng)度子網(wǎng)掩碼的想法就是在每個(gè)子網(wǎng)上保留足夠的主機(jī)數(shù)的同時(shí)，把一個(gè)網(wǎng)分成多個(gè)子網(wǎng)時(shí)有更大的靈活性。假如沒(méi)有VLSM，一個(gè)子網(wǎng)掩碼只能提供給一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。這樣就限制了要求的子網(wǎng)數(shù)上的主機(jī)數(shù)。
　　
　　VLSM技術(shù)對(duì)高效分配IP地址(較少浪費(fèi))以及減少路由表大小都起到非常重要的作用。但是需要注重的是使用VLSM時(shí)，所采用的路由協(xié)議必須能夠支持它，這些路由協(xié)議包括RIP2，OSPF，EIGRP和BGP。
　　
　　4.CIDR無(wú)類(lèi)別編址
　　
　　1992年引入了CIDR，它意味著在路由表層次的網(wǎng)絡(luò)地址“類(lèi)”的概念已經(jīng)被取消，代之以“網(wǎng)絡(luò)前綴”的概念。Internet中的CIDRClassless Inter-Domain Routing無(wú)類(lèi)別域間路由的基本思想是取消地址的分類(lèi)結(jié)構(gòu)，取而代之的是答應(yīng)以可變長(zhǎng)分界的方式分配網(wǎng)絡(luò)數(shù)。它支持路由聚合，可限制Internet主干路由器中必要路由信息的增長(zhǎng)。IP地址中A類(lèi)已經(jīng)分配完畢，B類(lèi)也已經(jīng)差不多了剩下的C類(lèi)地址已經(jīng)成為大家瓜分的目標(biāo)。顯然對(duì)于一個(gè)國(guó)家、地區(qū)、組織來(lái)說(shuō)分配到的地址最好是連續(xù)的那么如何來(lái)保證這一點(diǎn)呢？于是提出了CIDR的概念。CIDR是Classless Inter Domain Routing的縮寫(xiě)意為無(wú)類(lèi)別的域間路由。“無(wú)類(lèi)別”的意思是現(xiàn)在的選路決策是基于整個(gè)32位IP地址的掩碼操作。而不管其IP地址是A類(lèi)、B類(lèi)或是C類(lèi)，都沒(méi)有什么區(qū)別。它的思想是：把許多C類(lèi)地址合起來(lái)作B類(lèi)地址分配。采用這種分配多個(gè)IP地址的方式，使其能夠?qū)⒙酚杀碇械脑S多表項(xiàng)歸并summarization成更少的數(shù)目。
　　
　　5.專(zhuān)用地址和網(wǎng)絡(luò)地址的轉(zhuǎn)換(NAT)
　　
　　為了減慢IP地址分配的進(jìn)程，鑒別不同的通需要，并有根據(jù)地分配IP地址是很重要的。大多數(shù)組織的連通需要可以分為以下類(lèi)別：全球連通性和專(zhuān)用連通性(總體的或局部的)。
　　
　　1全球連通性。
　　
　　全球連通性意味著組織內(nèi)部的主機(jī)既能連通內(nèi)部主機(jī)又能連通因特網(wǎng)主機(jī)。在這種情況下，主機(jī)必須配置組織內(nèi)和組織外都可識(shí)別的全球惟一的IP地址，要求全球連通性的組織必須向其服務(wù)提供者申請(qǐng)IP地址。
　　
　　2專(zhuān)用連通性。
　　
　　專(zhuān)用連通性意味著組織內(nèi)部主機(jī)只能連通內(nèi)部主機(jī)，不能連通因特網(wǎng)主機(jī)。專(zhuān)用主機(jī)需要一個(gè)組織內(nèi)部惟一的IP地址，但沒(méi)有必要在組織外也是惟一的。對(duì)于這種連通性，IANA為所謂的“專(zhuān)用因特網(wǎng)”保留了下列三塊IP地址空間：
　　
　　10.0.0.0到10.255.255.255(一個(gè)單獨(dú)A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼)
　　
　　172.16.0.0到172.31.255.255(16個(gè)相鄰的B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)號(hào))
　　
　　192.168.0.0到192.168.255.255(256個(gè)相鄰的C類(lèi)網(wǎng)絡(luò)號(hào))
　　
　　企業(yè)可以不經(jīng)IANA或因特網(wǎng)登記處的答應(yīng)就從上述范圍內(nèi)選擇自己的地址。取得專(zhuān)用IP地址的主機(jī)能和組織內(nèi)部任何其他主機(jī)連接，但是假如不經(jīng)過(guò)一個(gè)代理網(wǎng)關(guān)就不能和組織外的主機(jī)連接。這是因?yàn)殡x開(kāi)公司的IP數(shù)據(jù)包將有一個(gè)源IP地址，它在公司外會(huì)被混淆，于是外部主機(jī)難以回答。因?yàn)槎鄠€(gè)建立專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的公司可以使用相同的IP地址，于是就可以少分配一些全球惟一的IP地址。
　　
　　3網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換器(NAT)
　　
　　地址轉(zhuǎn)換，即NAT功能，就是指在一個(gè)組織網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，根據(jù)需要可以使用私有的IP地址(不需要經(jīng)過(guò)申請(qǐng))，在組織內(nèi)部，各計(jì)算機(jī)間通過(guò)私有IP地址進(jìn)行通訊，而當(dāng)組織內(nèi)部的計(jì)算機(jī)要與外部internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊時(shí)，具有NAT功能的設(shè)備負(fù)責(zé)將其私有IP地址轉(zhuǎn)換為公有IP地址，即用該組織申請(qǐng)的合法IP地址進(jìn)行通信。簡(jiǎn)單地說(shuō)，NAT就是通過(guò)某種方式將IP地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換。Cisco系統(tǒng)提出了這個(gè)辦法，作為運(yùn)行在其路由器上的Cisco互連網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(ISO)TM軟件的一部分。 NAT設(shè)置可以分為靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換、復(fù)用動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換。
　　
　　靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換
　　
　　靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換將內(nèi)部本地地址與內(nèi)部合法地址進(jìn)行一對(duì)一的轉(zhuǎn)換，且需要指定和哪個(gè)合法地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換。假如內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)有E-mail服務(wù)器或FTP服務(wù)器等可以為外部用戶(hù)共用的服務(wù)，這些服務(wù)器的IP地址必須采用靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換，以便外部用戶(hù)可以使用這些服務(wù)。
　　
　　動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換
　　
　　動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換也是將本地地址與內(nèi)部合法地址一對(duì)一的轉(zhuǎn)換，但是是從內(nèi)部合法地址池中動(dòng)態(tài)地選擇一個(gè)末使用的地址對(duì)內(nèi)部本地地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
　　
　　復(fù)用動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換
　　
　　復(fù)用動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換首先是一種動(dòng)態(tài)地址轉(zhuǎn)換，但是它可以答應(yīng)多個(gè)內(nèi)部本地地址共用一個(gè)內(nèi)部合法地址。只申請(qǐng)到少量IP地址但卻經(jīng)常同時(shí)有多于合法地址個(gè)數(shù)的用戶(hù)上外部網(wǎng)絡(luò)的情況，這種轉(zhuǎn)換極為有用。
　　
　　下一代IP地址(IPv6)
　　
　　我們可以根據(jù)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)申請(qǐng)更多的地址，可以合理地分配IP地址，可以用CIDR和NAT技術(shù)減緩對(duì)IP地址的使用，但是隨著互連網(wǎng)發(fā)展速度的不斷加快，無(wú)論是CIDR技術(shù)還是NAT轉(zhuǎn)換技術(shù)，或者加快加緊申請(qǐng)地址的

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