5.1 IP地址寻址

　　5.1.1IP地址

　　IP地址是一个四字节32位长的地址码。一个典型的IP地址为200.1.25.7（以点分十进制表示）。

　　IP地址可以用点分十进制数表示，也可以用二进制数来表示：

　　200.1.25.7

　　11001000 00000001 00011001 00000111

　　IP地址被封装在数据包的IP报头中，供路由器在网间寻址的时候使用。

　　因此，网络中的每个主机，既有自己的MAC地址，也有自己的IP地址。MAC地址用于网段内寻址，IP地址则用于网段间寻址。

　　IP地址分为A、B、C、D、E共5类地址，其中前三类是我们经常涉及的IP地址。

　　分辨一个IP是哪类地址可以从其第一个字节来区别。如图5.2所示。

　　A类地址的第一个字节在1到126之间，B类地址的第一个字节在128到191之间，C类地址的第一个字节在192到223之间。例如200.1.25.7，是一个C类IP地址。155.22.100.25是一个B类IP地址。

　　A、B、C类地址是我们常用来为主机分配的IP地址。D类地址用于组播组的地址标识。E类地址是Internet Engineering Task Force (IETF)组织保留的IP地址，用于该组织自己的研究。

　　一个IP地址分为两部分：网络地址码部分和主机码部分。A类IP地址用第一个字节表示网络地址编码，低三个字节表示主机编码。B类地址用第一、二两个字节表示网络地址编码，后两个字节表示主机编码。C类地址用前三个字节表示网络地址编码，最后一个字节表示主机编码。

　　把一个主机的IP地址的主机码置为全0得到的地址码，就是这台主机所在网络的网络地址。例如200.1.25.7是一个C类IP地址。将其主机码部分（最后一个字节）置为全0，200.1.25.7.0就是200.1.25.7主机所在网络的网络地址。155.22.100.25是一个B类IP地址。将其主机码部分（最后两个字节）置为全0，155.22.0.0就是200.1.25.7主机所在网络的网络地址。

　　图5.1中的6台主机都在192.168.20.0网络上。

　　我们知道MAC地址是固化在网卡中的，由网卡的制造厂家随机生成。IP地址是怎么得到的呢？IP地址是由InterNIC (Network Information Center of Chantilly, VA) 分配的，它在美国IP地址注册机构(Internet Assigned Number Authority) 的授权下操作。我们通常是从ISP（互联网服务提供商）处购买IP地址，ISP可以分配它所购买的一部分IP地址给你。

　　A类地址通常分配给非常大型的网络，因为A类地址的主机位有三个字节的主机编码位，提供多达1600万个IP地址给主机（224-2）。也就是说61.0.0.0这个网络，可以容纳多达1600万个主机。全球一共只有126个A类网络地址，目前已经没有A类地址可以分配了。当你使用IE浏览器查询一个国外网站的时候，留心观察左下方的地址栏，可以看到一些网站分配了A类IP地址。

　　B类地址通常分配给大机构和大型企业，每个B类网络地址可提供6万5千多个IP主机地址（216-2）。全球一共有16384个B类网络地址。

　　C类地址用于小型网络，大约有200万个C类地址。C类地址只有一个字节用来表示这个网络中的主机，因此每个C类网络地址只能提供254个IP主机地址（28-2）。

　　你可能注意到了，A类地址第一个字节最大为126，而B类地址的第一个字节最小为128。第一个字节为127的IP地址，即不属于A类也不属于B类。第一个字节为127的IP地址实际上被保留用作回返测试，即主机把数据发送给自己。例如127.0.0.1是一个常用的用作回返测试的IP地址。

　　由图5.4可见，有两类地址不能分配给主机：网络地址和广播地址。

　　广播地址是主机码置为全1的IP地址。例如198.150.11.255是198.150.11.0网络中的广播地址。在图中的网络里，198.150.11.0 网络中的主机只能在198.150.11.1到198.150.11.254范围内分配，198.150.11.0和198.150.11.255不能分配给主机。

　　有些IP地址不必从IP地址注册机构Internet Assigned Numbers Authority (IANA)处申请得到，这类地址的范围由图5.5给出。

　　RFC1918文件分别在A、B、C类地址中指定了三块作为内部IP地址。这些内部IP地址可以随便在局域网中使用，但是不能用在互联网中。

　　IP地址是在80年代开始由TCP/IP协议使用的。不幸的是TCP/IP协议的设计者没有预见到这个协议会如此广泛地在全球使用。二十年后的今天，4个字节编码的IP地址不久就要被使用完了。

　　A类和B类地址占了整个IP地址空间的百分之七十五，却只能分配给1万7千个机构使用。只有占整个IP地址空间的百分之十二点五的C类地址可以留给新的网络使用。

　　新的IP版本已经开发出来，被称为IPv6。而旧的IP版本被称为IPv4。IPv6中的IP地址使用16个字节的地址编码，将可以提供3.4x1038个IP地址，拥有足够的地址空间迎接未来的商业需要。

　　由于现有的数以千万计的网络设备不支持IPv6，所以如何平滑的从IPv4迁移到IPv6仍然是个难题。不过，在IP地址空间即将耗尽的压力下，人们最终会该用IPv6的IP地址描述主机地址和网络地址。 5.1.2ARP协议

　　我们知道，主机在发送一个数据之前，需要为这个数据封装报头。在报头中，最重要的东西就是地址。在数据帧的三个报头中，需要封装进目标MAC地址、目标IP地址和目标port地址。

　　要发送数据，应用程序要么给出目标主机的IP地址，要么给出目标主机的主机名或域名，否则就无法指明数据该发送给谁了。

　　但是，如何给出目标主机的MAC地址呢？目标主机的MAC地址是一个随机数，且固化在对方主机的网卡上。事实上，应用程序在发送数据的时候，只知道目标主机的IP地址，无法知道目标主机的MAC地址。

　　ARP协议的程序可以完成用目标主机的IP地址查到它的MAC地址的功能。

　　当主机176.10.16.1需要向主机176.10.16.6发送数据时，它的ARP程序就会发出ARP请求广播报文，询问网络中哪台主机是176.10.16.6主机，并请它应答自己的查寻。

　　网络中的所有主机都会收到这个查询请求广播，但是只有176.10.16.6主机会响应这个查询请求，向源主机发送ARP应答报文，把自己的MAC地址FE:ED:31:A2:22:A3传送给源主机。于是，源主机便得到了目标主机的MAC地址。

　　这时，源主机掌握了目标主机的IP地址和MAC地址，就可以封装数据报的IP报头和帧报头了。

　　为了下次再向主机176.10.16.6发送数据时不再向网络查询了，ARP程序会将这次查询的结果保存起来。ARP程序保存网络中其它主机MAC地址的表称为ARP表。如图5.7所示。

　　图5.7 主机中的ARP表

　　当别人给ARP程序一个IP地址，要求它查询出这个IP地址对应的主机的MAC地址时，ARP程序总是先查自己的ARP表，如果ARP表中有这个IP对应的MAC地址，则能够轻松、快速地给出所要的MAC地址。如果ARP表中没有，则需要通过ARP广播和ARP应答的机制来获取对方的MAC地址。

　　下面看看ARP程序是如何工作的？

　　ARP程序在局域网中是一个非常重要的程序。没有ARP程序，我们就无法得到目标主机的MAC地址，也就无法封装帧报头。

　　说明这种通过IP地址获得MAC地址方法的协议被称为ARP协议。从本节后，我们将逐步学习很多协议。协议是为某个程序或某个硬件的设计做出的约定。一个协议一般要说明三个东西：你要做的程序或硬件要完成什么功能；实现这个功能的方法；实现这个功能所需要通讯的数据格式。比如ARP协议，规定了ARP程序完成通过IP地址获得MAC地址的功能。规定了通过广播报查询目标主机，并由目标主机应答源主机的方法。最后，ARP协议还规定了ARP请求报文和ARP应答报文的格式。

　　ARP程序在哪里？由谁编写的呢？

　　在主机中的ARP程序是操作系统的一部分。Windows2000、UNIX、LINUX这样的操作系统中都有ARP程序。当然，Windows2000中的ARP程序是微软公司的工程师们编写的。

　　在Windows2000机器上，可以在“命令提示符”窗口用Ipconfig/all命令查看到本机的MAC地址。

　　图5.8 在Windows2000机器上查看ARP表  5.1.3IP地址表现网络地址

　　IP地址是一个层次化的地址，既能表示主机的地址，也表现出这个主机所在网络的网络地址。

　　在图5.9中有三个C类地址的网络192.168.10.0、192.168.11.0和192.168.12.0，它们由路由器互联在一起，可以通过路由器交换数据。

　　从4.1.1中我们知道，C类地址的前3个字节是网络地址编码。网络地址的主机地址码部分置0。192.168.10.0、192.168.11.0和192.168.12.0这三个网络地址的最后一个字节都是0，它们不表示任何主机，表示的是一个网络的地址编码。

　　当主机192.168.10.2需要与主机192.168.11.19通讯时，通过比较目标主机IP地址的网络地址编码部分，它便知道对方与自己不在一个网段上。与主机192.168.11.19的通讯需要通过路由器转发才能到达。

　　每个网络都必须有自己的网络地址。事实上，我们都是先获得网络的网络IP地址，然后才用这个网络IP地址为这个网络上的各个主机分配主机IP地址的。