1.IPv4

1.1 IP地址

连接到因特网上的每台主机(或路由器)都分配一个32比特的全球唯一标识符，即IP地址。传统的IP地址是分类的地址，分为A、B、C、D、E五类。

全世界唯一的32位/4字节标识符，表示路由器主机的接口。

IP地址::={<网络号><主机号>}

例如：

11011111 00000001 00000001 00000001 = 223.1.1.1（点分十进制）

特殊十六进制和二进制转换

1.2分类的IP地址

无论哪类IP地址，都由网络号和主机号两部分组成。

即IP地址::= {<网络号>, <主机号>}。

其中网络号标志主机(或路由器)所连接到的网络。–个网络号在整个因特网范围内必须是唯一的。

主机号标志该主机(或路由器)。一台主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。

3.1分类IP地址的弱点

1.3 特殊IP地址

在各类IP地址中，有些IP地址具有特殊用途，不用做主机的IP地址:

主机号全为0表示本网络本身；
主机号全为1表示本网络的广播地址。

1.4常用IP地址ABC使用范围

A类地址可用的网络数为27-2，减2的原因是:第一，网络号字段全为0的IP地址是保留地址，意思是“本网络”;第二，网络号为127的IP地址是环回测试地址。
B类地址的可用网络数为214-1，减1的原因是128.0这个网络号是不可指派的。
C类地址的可用网络数为221-1,减1的原因是网络号为192.0.0 的网络是不可指派的。

1.5 IP地址的重要特点

每个IP地址都由网络号和主机号两部分组成，因此IP地址是–种分等级的地址结构。分等级的好处是:①IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号(第一级)，而主机号(第二级)则由得到该网络的单位自行分配，方便了IP 地址的管理;②路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组(而不考虑目标主机号)，从而减小了路由表所占的存储空间。
IP 地址是标志一台主机(或路由器)和一条链路的接口。当一台主机同时连接到两个网络时，该主机就必须同时具有两个相应的IP地址，每个IP地址的网络号必须与所在网络的网络号相同，且这两个IP地址的网络号是不同的。因此IP网络上的一一个路由器必然至少应具有两个IP地址(路由器每个端口必须至少分配一个IP地址)。
用转发器或桥接器(网桥等)连接的若干LAN仍然是同一个网络(同一个广播域)，因此该LAN中所有主机的IP地址的网络号必须相同，但主机号必须不同。
在IP地址中，所有分配到网络号的网络(无论是LAN还是WAN)都是平等的。
在同一个局域网上的主机或路由器的IP地址中的网络号必须是一样的。路由器总是具有两个或两个以上的IP地址，路由器的每个端口都有一个不同网络号的IP地址。

2.网络地址转换NAT

2.1 NAT简介

网络地址转换(NAT)是指通过将专用网络地址(如Intranet)转换为公用地址(如Internet)，从而对外隐藏内部管理的IP地址。它使得整个专用网只需要一个全球IP地址就可以与因特网连通，由于专用网本地IP地址是可重用的，所以NAT大大节省了IP地址的消耗。同时，它隐藏了内部网络结构，从而降低了内部网络受到攻击的风险。

2.2 私有IP地址

此外，为了网络安全，划出了部分IP地址为私有IP地址。私有IP地址只用于LAN,不用于WAN连接(因此私有IP地址不能直接用于Internet,必须通过网关利用NAT把私有IP地址转换为Internet中合法的全球IP地址后才能用于Internet), 并且允许私有IP地址被LAN重复使用。这有效地解决了IP地址不足的问题。私有IP地址网段如下:

路由器对目的地址的私有IP地址的数据一律不进行转发

2.3 专用互联网/本地互联网

在因特网中的所有路由器，对目的地址是私有地址的数据报一律不进行转发。这种采用私有IP地址的互联网络称为专用互联网或本地互联网。私有IP地址也称可重用地址。

2.4 如何实现私有IP地址上网

网络地址转换NAT（Network Address Translation）：在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，安装了NAT软件的路由器叫NAT路由器，她至少有一个有效的外部全球IP地址。

使用NAT时需要在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件，NAT路由器至少有一个有效的外部全球地址。

使用本地地址的主机和外界通信时，·NAT路由器使用NAT转换表将本地地址转换成全球地址，或将全球地址转换成本地地址。

NAT转换表中存放着{本地IP地址:端口}到{全球IP地址:端口}的映射。

通过{ip地址:端口}这样的映射方式，

可让多个私有IP地址映射到同一一个全球IP地址。

3.子网划分

3.1分类IP地址的弱点

IP地址空间的利用率有时很低
两级IP地址不够灵活

从1985年起，在IP地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级IP地址变成了三级IP地址。这种做法称为子网划分。子网划分已成为因特网的正式标准协议。

3.2子网划分

子网划分纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。
从主机号借用若干比特作为子网号，当然主机号也就相应减少了相同的比特。三级IP地址的结构如下: IP地址={<网络号>,<子网号>, <主机号>}。
凡是从其他网络发送给本单位某台主机的IP数据报,仍然是根据IP数据报的目的网络号，先找到连接到本单位网络上的路由器。然后该路由器在收到IP数据报后，按目的网络号和子网号找到目的子网。最后把IP数据报直接交付给目的主机。

子网中主机号全为0的地址为子网的网络号，主机号全为1的地址为子网的广播地址。

某单位划分子网后，对外仍表现为一个网络，即本单位的网络看不见本单位内子网的划分。

子网络能否全0全1要看情况
主机号不能全0全1

4.子网掩码

子网掩码的引入，为了告诉主机或路由器对一个A类、B类、C类网络进行了子网划分，使用子网掩码来表达对原网络中主机号的借位。为了使外部可以连接子网内的网络。

子网掩码是一个与IP地址相对应的、长32bit的二进制串,它由一串1和跟随的一串0组成。其中，1对应于IP地址中的网络号及子网号，而0对应于主机号。

子网掩码与IP地址逐位相与，就得到子网网络地址。

现在的因特网标准规定：所有的网络都必须使用子网掩码。如果一个网络未划分子网，那么就采用默认子网掩码。

A、B、C类地址的默认子网掩码分别为255.0.0.0、 255.255.0.0、255.255.255.0.

4.1例题

某主机的IP地址为180.80.77.55，子网掩码为255.255.252.0。若该主机向其所在子网发送广播分组，则目的地址可以是：

180.80.76.0
180.80.76.255
180.80.77.255
180.80.79.255

解析：

广播地址：主机号全1
子网掩码第三个字节：252 - 1111 1100
前面的 8+8+6=22位为子网号，剩下10位为主机号；
主机IP前两位10，B类IP地址，其中前16位网络号，后16位主机号；
所以，IP中，前16位网络号，中间6位为子网号，最后10位为主机号；
IP地址中77 - 0100 1101，取前6位，主机所在的子网号：180.80.76.0，剩下的10位为1。
故目的地址为：180.80.79.255

4.2.使用子网时分分组的转发

由于子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性，所以路由器在相互之间交换路由信息时，必须把自己所在网络(或子网)的子网掩码告诉对方。路由表中的每个条目，除要给出目的网络地址和下一跳地址外，还要同时给出该目的网络的子网掩码。

（1）在使用子网掩码的情况下:

一台主机在设置IP地址信息的同时，必须设置子网掩码。
同属于一个子网的所有主机及路由器的相应端口，必须设置相同的子网掩码。
路由器的路由表中，所包含信息的主要内容必须有目的网络地址、子网掩码、下一跳地址。

（2）路由表中

目的的网络地址；
目的网络子网掩码；
下一跳地址

（3）路由器转发分组的算法

提取目的IP地址：从收到的分组的首部提取目的IP地址，记为D
是否直接交付：先判断是否为直接交付。对路由器直接相连的网络逐个进行检查:用各网络的子网掩码和D逐位相“与”，看结果是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付，否则间接交付，执行步骤3)。
特定主机路由：若路由表中有目的地址为D的特定主机路由，则将分组传送给路由表中所指明的下一跳路由器;否则，执行4)
检测路由表中有无路径：对路由表中的每一行(目的网络地址、子网掩码、下一跳地址)中的子网掩码和D逐位相“与”，其结果为N。若N与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行指明的下一跳路由器;否则，执行步骤5)
默认路由 0.0.0.0：若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器;否则，执行步骤6)。
丢弃，报告转发分组出错：报告转发分组出错。

5.无分类编址CIDR（构成超网）

5.1无分类域间路由选择CIDR：

（1）消除了传统的A类、B类和C类地址以及划分子网的概念

CIDR记法：IP地址后加上"/"，然后写上网络前缀（可以任意长度）的位数。

如：128.14.32.0/20

（2）融合子网地址和子网掩码，方便子网划分

CIDR把网络前缀都相同的连续IP地址组成一个“CIDR地址块”

如：128.14.35.7/20是某CIDR地址块中的一个地址

二进制：10000000 00001110 00100011 00000111
最小地址：10000000 00001110 00100000 00000000
最大地址：10000000 00001110 00101111 11111111
地址块：128.14.32.0/20
地址掩码（子网掩码）：11111111 11111111 11110000 00000000

5.2构成超网

将多个子网聚合成一个较大的子网，叫做构成超网，或路由聚合。

方法：将网络前缀缩短

5.3最长前缀匹配

使用CIDR时，查找路由表可能得到几个匹配的结果，应选择具有最长网络前缀的路由。前缀越长，地址快越小，路由越具体。

5.4例题

某网络的IP地址空间为192.168.5.0/24，采用定长子网划分，子网掩码为255.255.255.248，则该网络中最大子网个数，每个子网内的最大可分配地址个数分别是：

子网掩码：11111111 11111111 11111111 11111000，后三位为主机号
最大子网号有 $2^5 = 32$ 个
每个子网最大可分配地址个数： $2^3-2=6$ ，除去主机号全0和全1的