很久以前我们非常简单的讨论过 《IPv4 地址》，那时候是出于网络编程基础的需要，介绍了和 IP 地址相关的函数。这一次，我们来详细的讨论下 IP 地址的结构。

1. IPv4 地址分类

1981 年，标准就制定了一种基本的编址方法。32 位的 IP 地址由 {netid, hostid} 两部分构成，根据这个规则，依据 netid 将 IP 地址分成 5 大类：

图1 五类 IP 地址

比如 IP 地址 128.1.1.1 就是一个 B 类 IP 地址。这里需要提一点的是，近年来，A 类、B 类、C 类地址的区分已成为历史，仅管是这样，那还不要要学呢？这个问题留给你自己回答吧。

2. 常用 IP 地址

2.1 A 类地址

A 类地址的网络号占用 1 字节，第 1 位固定成 0，范围是 0 到 127 （包含 127），一共 128 个。但是，可指派的网络号只有 126 个，其中 网络号 0 和 127 我们不使用，它们用作特殊含义：

• 网络号为 0，表示本网络。
• 网络号为 127，保留作本地软件环回测试(loop test)本主机进程之间的通信之用。如 127.0.0.1

A 类地址的主机号占用 3 字节，它的范围是 $[0, 2^{24}-1]$。主机号 0 和 $2^{24}-1$ 不能用作主机 IP 地址，它们的含义如下：

• 主机号 0 表示该 IP 地址是“本主机”所连接到的单个网络地址（例如，一主机 IP 地址是 5.6.7.8，则该主机所在的网络地址就是 5.0.0.0）。
• 主机号为全 1，表示“所有的”，即表示该网络上所有主机。（这是一个广播地址。）

2.2 B 类网络地址

B 类地址的网络号占 2 字节，前 2 位固定(10)，范围是 128.0 到 191.255。然而，[COME06] 规定，128.0 这个网络号是不能指派的！因此，B 类网络号最小也只能是 128.1，也就是说最小的网络地址 128.1.0.0. 所以 B 类能用的网络数只有 $2^{14}-1$个。

B 类网络上最大的主机数是 $2^{16}-2$ 个，主机号全 0 表示网络地址，主机号全 1 表示广播地址。

2.3 C 类网络地址

C 类地址的网络号占用 3 字节，前 3 位固定(110)，它的范围是 192.0.0 到 223.255.255，然而，[COME06] 规定，192.0.0 是不可使用的。因此 C 类地址能用的网络总数是 $2^{21}-1$ 个。

C 类网络上最大的主机数是 $2^8-2 = 126$ 个，主机号全 0 表示网络地址，主机号全 1 表示广播地址。

下表总结了 IP 地址指派的范围：

网络类别	最大可指派的网络数	第一个可指派的网络号	最后一个可指派的网络号	每个网络中最大主机数
A	$2^7-2$	1	126	$2^{24}-2$
B	$2^{14}-1$	128.1	191.255	$2^{16}-2$
C	$2^{21}-1$	192.0.1	223.255.255	$2^{8}-2$

3. 划分子网

鉴于基本的编址方法有以下缺陷：

• IP 地址空间利用率低
• 给每个物理网络分配一个网络号使路由表变得太大，使网络性能变坏
• 两级 IP 地址不够灵活，比如想添加一个新的网络，就得去因特网管理机构申请。

为了解决上面的问题，1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“subnetid”，即子网号字段，它的结构如下：

IP 地址 = {netid, subnetid, hostid}

划分子网的方法是从网络的主机号中借用若干位作为子网号 subnetid，当然这也造成了主机号也就相应的减少了同样的位数。

3.1 子网掩码

图 2 所示的网络，将 192.168.166.0 网络划分成了两个子网，在这个网络中，192.168.166.34 的三级结构是 {192.168.166, 1, 2}，即 netid = 192.168, subnetid = 1, hostid = 2.

而 192.168.166.17 的 netid = 192.168.166, subnetid = 2, hostid = 1. 为什么是这样的结果？因为这是人为强制设置的，后面会解释。

根据上面的叙述，192.168.166.0 划分出了两个子网，分别是 192.168.166.16 以及 192.168.166.32.

假设 PC4 发送了一份 IP 数据报给目标主机 192.168.166.34 主机，PC4 并不知道目的主机所连接的网络是否进行了子网划分（要知道，IP 协议首部并不包含子网掩码的信息）。

当路由器 R1 接收到了发给 C 类网络地址 192.168.166.34 的数据报后，应该如何才能将其转发到子网 192.168.166.32 上呢？此时就需要子网掩码来帮我们搞定它。

图2 将 C 类网络 192.168.166.0 划分成了 2 个子网

具体做法就是从 hostid 拿出若干位，用来表示 subnetid，在图 2 这个例子中，我们从 hostid 中拿出了 4 位做子网号。

例如 192.168.166.34 拆分成 2 进制（只拆分最后一段）：

192.168.166.00100010 --> {192.168.166}{0010}{0010}

因此子网号是 0010，即 10 进制的 2，而主机号是 0010，10 进制的 2.

为了能让路由器方便的从目的 IP 地址中提取出要找的子网的网络地址，就需要使用子网掩码。子网掩码是由一串 1 跟随一串 0 组成，子网掩码中 1 对应于 IP 地址中原来的 netid 加上 subnetid 部分，而 0 对应于 hostid 部分。

在图 2 这个例子中，192.168.166.0 这个网络中的主机的子网掩码是 255.255.255.240. 图 3 演示了如何根据子网掩码计算 netid, subnetid 和 hostid.

图3 根据子网掩码计算 netid, subnetid，以及 hostid

给路由器的每个接口设置了子网掩码后，路由器就可用“与”的计算方式，找到 netid 和 subnetid 部分啦。

假设没有做子网划分，还要设置子网掩码吗？标准规定，都要设置（虽然可以不用设置，此时使用默认的子网掩码，按照 A、B、C 类网络划分）。

4. 数据转发流程

接下来，我们看看 PC4 给 PC6 发数据包，路由器是如何动作的（参考图 2）。

• PC4 将 PC6 的 IP 地址（192.168.166.34）与自己的子网掩码相与，发现其在 192.168.166.0 网络上，和自己并不在同一网络（自己在 192.168.3.0 上），故将 IP 数据报交由默认网关 192.168.3.1.
• 路由器 R2 收到 PC4 发来的数据报，将目的 IP 地址 192.168.166.34 和路由表中每一项的子网掩码做与操作，得到网络地址 192.168.166.0，然后根据此网络地址查找路由表，得知下一跳地址是 Ethernet0/0 出口(如图 4)。于是将数据报从 Ethernet0/0 出口转发出去。

注：Ethernet0/0 出口就是 192.168.1.2 那个出口。

图4 查看 R2 的路由表

• 路由器 R1 收到数据报后，将目标 IP 地址 192.168.166.34 和路由表中的第一项与子网掩码做与操作，首先应该是和 255.255.255.240 这个掩码相与，得到子网号为 192.168.166.32，然后查找路由表，得知下一跳地址是 Ethernet0/1 出口。接下来将 IP 数据报从 Ethernet0/1 出口转发出去。

注：Ethernet0/1 出口就是 192.168.166.35 那个出口

图5 查看 R1 的路由表

• 接下来，交换机查找自己的 MAC 地址转换表，找到 PC6 的 MAC 地址，将数据报递送给 PC6

图6 从 PC4 ping PC6 主机

5. 专用地址

RFC 1918 指明了一些专用地址（private address），这些地址只能用于一个机构内部通信，而不能用于和因特网上的主机通信（通常就是我们说的内网）。换句话说，这些专用地址绝对不能出现在互联网上，对于互联网上的路由器，如果看到目的地址是专用地址，一律不进行转发。RFC 1918 指明的会用地址如下：

• 10.0.0.0 到 10.255.255.255 （或记为 10/8，它又称为 24 位块）
• 172.16.0.0 到 172.32.255.255 （或记为 172.16/12，它又称为 20 位块）
• 192.168.0.0 到 192.168.255.255 （或记为 192.168/16，它又称为 16 位块）

上面三个地址块分别相当于一个 A 类网络，16 个连续的 B 类网络和 256 个连续的 C 类网络。

有同学会问，我主机的 IP 地址明明就是 192.168 开头的，为什么还能上网？这个话题，再讲就跑远了，如果你感兴趣，你可以自行搜索关键词：NAT 协议。

6. 总结

• 掌握 IPv4 地址结构
• 知道子网掩码的作用