IP 地址详解（IPv4、IPv6）

1 概述

2 IP 地址

2.1 IPv4 表示法

• 点分十进制：将整个 32 位 IP 地址，平均划分为 4 个字节（1 个字节 = 8 位），每个字节用一个十进制数表示，中间用圆点分隔。
  

点分十进制好处：方便人记忆。
二进制，电脑好识别；十进制，人好识别

2.2 默认地址分类策略：A、B、C、D、E 类

• 地址格式：采用 “网络 . 主机” 的形式，其中
  • 网络：网络的地址编码
  • 主机：网络中一个主机的地址编码
• IP 地址分类：总共有以下 5 类。其中 A、B、C 类是常用地址，可通过固定前缀区分
  • A 类地址：前缀为 0（1位） + 网络地址（7位）+ 主机地址（24位）= 32 位
  • B 类地址：前缀为 10（2位） + 网络地址（14位）+ 主机地址（16位）= 32 位
  • C 类地址：前缀为 110（3位） + 网络地址（21位）+ 主机地址（8位）= 32 位
    

2.3 IPv4 子网掩码

• 子网掩码：Subnet Mask
  • 组成：子网掩码和 IP 地址一样，也是由一个 32 位的二进制数组成
  • 注意：子网掩码不能单独存在，必须结合 IP 地址一起使用
• 作用：结合 IP 地址，划分 网络号（网络地址） 和 主机号（主机地址）
  • 原理：将 子网掩码 和 IP 地址 按位进行 逻辑"与（AND）" 运算，得到 IP 地址的 网络号，余下部分就是 主机号（与运算：有 1 为 1，全 0 为 0）
  • 举例：由 IP 地址为 192.168.10.11，子网掩码为 255.255.255.0，可知：IP 地址属于 192.168.10.0 这个网络，其主机号为 11，即这个网络中编号为 11 的主机。

思考：既然 IP 地址可用 ABC类进行区分 网络地址 和 主机地址，为什么还要 子网掩码？
结论：进行子网划分，避免 IP 地址的浪费，灵活使用 IP 地址。

理解：如果 IP 地址全部按照标准的 ABC 类地址使用，那么子网掩码确实是多余的，因为 A 类的网络号是第一个字节（默认子网掩码：255.0.0.0），B 类的网络号是前两个字节（默认子网掩码：255.255.0.0），C 类的网络号是前三个字节（默认子网掩码：255.255.255.0）。
然而，用这种方式使用 IP 地址是非常不灵活的。比如：现在要划分 1000 台主机，如果用 C 类地址划分，至少要 4 个 C 类地址（4 * 254 = 1016），需要的 C 类地址太多了；如果用 B 类地址划分，虽然只需要 1 个 B类地址（1 * 65534），但是浪费的地址太多了（65534 - 1000）。
此时，最好做法是 进行子网划分。1000 台主机，接近 $1024=2^{10}$,可用 10 个主机号容纳，划分后的 IP 地址格式：x.x.x.x/22，而这是 ABC 类地址所无法做到的。
具体详见博客：https://blog.csdn.net/qq_34745941/article/details/128294147

2.4 IPv4 地址范围及可容纳主机数量

主机数 为啥要 减少 2 ？因为：在每个网络中，有 2 个 IP 地址不能被分配，留作他用，如：
主机号全 0：指定某个网络本身
主机号全 1：指定某个网络的所有主机（用于广播）

IP 地址范围：分类号 + (最小：网络位全为 0，最大：网络位全为 1)，例如
A 类：分类号 = 0，最小 00000000 = 0，最大 01111111 = 127
B 类：分类号 = 10，最小 10000000 = 128，最大 10111111 = 191
C 类：分类号 = 110，最小 11000000 = 192，最大 11011111 = 223
其它：0 = 00000000（8 个 0），255 = 11111111（8 个 1）

2.5 IPv6 表示法

• IPv6 的地址长度为 128 位，是 IPv4 地址长度的 4 倍。于是 IPv4 点分十进制格式不再适用，采用十六进制表示，有 3 种表示方法
• 一、冒分十六进制表示法
  • 格式：X:X:X:X:X:X:X:X，每个 X 表示 16 个二进制数（128 = 16 * 8）
  • 注意：每个 X 的 前导 0 是可以省略的，例如：
  • 2001 : 0DB8 : 0000 : 0023 : 0008 : 0800 : 200C : 417A →
  • 2001 : DB8 : 0 : 23 : 8 : 800 : 200C : 417A
• 二、0 位压缩表示法
  • 将 连续很长 的一段 0 压缩为 "::"。且为保证地址解析的唯一性，"::" 只能 出现一次，例如：
  • FF01 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 1101 → FF01 :: 1101
  • 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 1 → ::1
  • 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 : 0 → ::
• 三、内嵌 IPv4 地址表示法
  • 为了实现 IPv4-IPv6 互通，IPv4 地址会嵌入 IPv6 地址中，前 96 位采用 冒分十六进制 表示，最后 32 位 依然采用 IPv4 的 点分十进制
  • 格式：X:X:X:X:X:X:d.d.d.d，例如：
  • ::192.168.0.1 和 ::FFFF:192.168.0.1

3 扩展

3.1 网工软考真题

【2018上半年 - 52】以下地址中用于组播的是（）。
A.10.1.205.0
B.192.168.0.7
C.202.105.107.1
D.224.1.210.5

参考答案：D
组播地址属于 d 类地址，范围：224.0.0.0 ～ 239.255.255.255

【2018上半年 - 53】下列IP地址中，不能作为源地址的是（）。
A.0.0.0.0
B.127.0.0.1
C.190.255.255.255/24
D.192.168.0.1/24

参考答案：C
C选项为广播地址，广播地址只能做目标地址，不能作为源地址。

【2017下半年 - 51】IPv4的D类地址是组播地址， 224.0.0.1表示（）构成的组播组。
A.DHCP服务器
B.RIPv2路由器
C.本地子网中的所有主机
D.OSPF路由器

参考答案：C
224.0.0.1 特殊的组播地址，代表所有主机地址。

【2017上半年 - 60,61】IPv6链路本地单播地址的前缀为（59），可聚集全球单播地址的前缀为（60）
(60) A.001
　　B.1111111010
　　C.1111111011
　　D.1111 1111
(61) A.001
　　B.1111111010
　　C.1111111011
　　D.1111 1111

参考答案：60=B，61=A
链路本地单播地址的格式前缀为 1111 1110 10，即 fe80::/64；其后是 64 位的接口id。
ipv6 的可聚合全球单播地址是可以在全球范围内进行路由转发的 ipv6 地址的全球路由选择前缀：分配给各个公司和机构，用于路由器的路由选择。相当于 ipv4 地址中的网络号。主要这类地址的前三位是 001。