【1.4.1】IP地址
一、IP地址是什么？
IP 地址（Internet Protocol Address）是互联网协议特有的一种地址，它是 IP 协议提供的一种统一的地址格式。IP 地址为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。
那么，我们为什么要使用 IP 地址呢？
在单个局域网网段中，计算机与计算机之间可以使用网络访问层提供的 MAC 地址进行通信。如果在路由式网络中，计算机之间进行通信就不能利用 MAC 地址实现数据传输了：因为 MAC 地址不能跨路由接口运行；即使强行实现跨越，使用 MAC 地址传输数据也是非常麻烦的。
这是由于内置在网卡里的固定 MAC 地址不能在地址空间上引入逻辑结构，使其无法具备真正的地址来表示国家、省、市、区、街道、路、号这类层次。因此，要进行数据传输，必须使用一种逻辑化、层次化的寻址方案对网络进行组织，这就是 IP 地址。
网络中的每个计算机都有对应的 IP 地址，读者可以使用 netwox 工具探测目标主机。
【示例】显示目标主机的相关信息。
-
探测局域网中所有主机的IP地址、主机名和 MAC 地址信息。
root@daxueba:~# netwox 3 -a 192.168.59.0/24
显示的所有主机信息如下；
IP address: 192.168.59.0
Hostname: localhost
Hostnames: localhost
Eth address: unresolved
IP address: 192.168.59.1 #主机IP地址
Hostname: localhost
Hostnames: localhost
Eth address: 00:50:56:C0:00:08 #MAC地址
IP address: 192.168.59.2 #主机IP地址
Hostname: localhost
Hostnames: localhost
Eth address: 00:50:56:EA:F3:A1 #MAC地址
… #省略其他信息
IP address: 192.168.59.131 #主机IP地址
Hostname: localhost
Hostnames: localhost
Eth address: 00:0C:29:CA:E4:66 #MAC地址
IP address: 192.168.59.132 #主机IP地址
Hostname: localhost
Hostnames: localhost
Eth address: 00:0C:29:C4:8A:DE #MAC地址
… #省略其他信息
IP address: 192.168.59.254 #主机IP地址
Hostname: localhost
Hostnames: localhost
Eth address: 00:50:56:F7:32:70 #MAC地址
IP address: 192.168.59.255 #主机IP地址
Hostname: localhost
Hostnames: localhost
Eth address: unresolved
以上输出信息依次显示了局域网中的所有主机信息，主机 IP 地址为 192.168.59.0 到 192.168.59.255。
如果主机存在，就在 Eth address 部分中显示对应的 MAC 地址，如果主机不存在，则显示为 unresolved。从输出信息中可以了解到，主机 192.168.59.131 存在，其 MAC 地址为 00:0C:29:CA:E4:66。
- 主机可以被用做服务器，探测域名为 www.163.com (http://www.163.com) 的所有主机的 IP 地址、主机名，以及 MAC 地址信息。 root@daxueba:~# netwox 3 -a www.163.com
输出信息如下：
IP address: 220.194.153.86
Hostname: unresolved
Hostnames: unresolved
Eth address: unresolved
IP address: 218.26.75.208 #IPv4地址
Hostname: 208.75.26.218.internet.sx.cn #主机名
Hostnames: 208.75.26.218.internet.sx.cn
Eth address: unresolved
IP address: 124.163.192.254 #IPv4地址
Hostname: 254.192.163.124.adsl-pool.sx.cn #主机名
Hostnames: 254.192.163.124.adsl-pool.sx.cn
Eth address: unresolved
IP address: 2408:80f1:201:1::7 #IPv6地址
Hostname: unresolved
Hostnames: unresolved
Eth address: 00:50:56:EA:F3:A1 #MAC地址
IP address: 2408:80f1:201:1::6 #IPv6地址
Hostname: unresolved
Hostnames: unresolved
Eth address: 00:50:56:EA:F3:A1 #MAC地址
以上输出信息显示了域名 www.163.com（http://www.163.com）的主机所使用的 IP 地址、主机名，以及 MAC 地址信息。
二、IP地址的格式和分类
在网际层中，利用 IP 地址将数据传输到目的地。为了能够使数据正确地发送到目标主机上，网络上的 IP 地址必须有一定的规则来识别主机的位置。
2.1 IP地址的基本构成
为了便于寻址，了解目标主机的位置，每个 IP 地址包括两个标识码（ID），即网络 ID 和主机 ID。同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络 ID，网络上的一个主机（包括网络上的工作站、服务器和路由器等）有一个主机 ID 与其对应。
网络 ID 和主机 ID 含义如下：
- 网络 ID：用于识别主机所在的网络，网络 ID 的位数直接决定了可以分配的网络数量。
- 主机 ID：用于识别该网络中的主机，主机 ID 的位数则决定了网络中最大的主机数量。
2.2 IP地址的分类和格式
大型网络包含大量的主机，而小型网络包含少量的主机。根据用户需求不同，一个网络包含的主机数量也会不同。为了满足不同场景的需要，网络必须使用一种方式来判断 IP 地址中哪一部分是网络 ID，哪一部分是主机 ID。
IP 地址为 32 位地址，被分为 4 个 8 位段。为了方便对 IP 地址的管理，将 IP 地址基本分为三大类，每类地址的分类与含义如下：
- A 类：前 8 位表示网络 ID，后 24 位表示主机 ID；该地址分配给政府机关单位使用。
- B 类：前 16 位表示网络 ID，后 16 位表示主机 ID；该地址分配给中等规模的企业使用。
- C 类：前 24 位表示网络 ID，后 8 位表示主机 ID；该地址分配给任何需要的人使用。
除了上述的 A、B、C 三类地址以外，还有两类隐藏地址，即 D 类地址和E类地址：
- D 类：不分网络 ID 和主机 ID；该地址用于多播。
- E 类：不分网络 ID 和主机 ID；该地址用于实验。
2.3 如何判断IP地址的分类？
IP 地址被分类以后，如何判断一个 IP 地址是 A 类、B 类还是 C 类地址呢？为了更好地进行区分，将每类地址的开头部分设置为固定数值，如图所示。
IP地址分类示意图
从上图中可以看出，每类 IP 地址都是以 32 位的二进制格式显示的，每类地址的区别如下：
- A类：网络 ID 的第一位以 0 开始的地址。
- B类：网络 ID 的第一位以 10 开始的地址。
- C类：网络ID的第一位以 110 开始的地址。
- D类：地址以 1110 开始的地址。
- E类：地址以 11110 开始的地址。
2.4 不同分类的IP地址的范围
由于每类地址的开头是固定的，因此每类地址都有自己的范围：
- A类：IP 地址范围为 0.0.0.0～127.255.255.255。
- B类：IP 地址范围为 128.0.0.0～191.255.255.255。
- C类：IP 地址范围为 192.0.0.0～223.255.255.255。
- D类：IP 地址范围为 224.0.0.0～239.255.255.255。
- E类：IP 地址范围为 240.0.0.0～255.255.255.254。
2.5 特殊 IP 地址
在进行 IP 地址分配时，有一些 IP 地址具有特殊含义，不会分配给互联网的主机。例如，保留了一些 IP 地址范围，用于私有网络，这些地址被称为私有地址。再如，保留一部分地址用于测试，被称为保留地址。
A 类、B 类、C 类地址的地址范围及含义如下：
- A类地址
- 私有地址范围为 10.0.0.0～10.255.255.255。
- 保留地址范围为 127.0.0.0～127.255.255.255。
- B类地址
- 私有地址范围为 172.16.0.0～172.31.255.255。
- 保留地址为 169.254.X.X。
- C类地址
- 私有地址范围为 192.168.0.0～192.168.255.255。
2.6 子网划分
数据在网络中进行传输是通过识别 IP 地址中的网络 ID，从而将数据发送到正确的网络中，然后再根据主机 ID 将数据发送到目标主机上。
如果一个网络中包含了百万台主机，数据通过网关找到对应的网络后，很难快速地发送到目标主机上。为了能够在大型网络中实现更高效的数据传输，需要进行子网划分，将网络划分为更小的网络。
子网划分是将 IP 地址的主机 ID 部分划分为子网 ID 和主机 ID。其中，子网 ID 用来寻找网络内的子网，主机 ID 用来寻找子网中的主机。
子网掩码则是用来指明地址中多少位用于子网 ID，保留多少位用于实际的主机 ID。
三、IP地址分配（静态分配+动态分配+零配置）
计算机为了在 TCP/IP 网络中正常工作，需要获取相应的 IP 地址。获取 IP 地址的过程被称为地址分配。计算机获取 IP 地址的方式有 3 种，即静态分配、动态分配和零配置。下面依次讲解这 3 种方式。
3.1 静态分配IP地址
静态分配也称为手工分配。网络管理员在计算机中直接设置所使用的IP地址。在 Windows 系统中，用户可以在“Internet协议版本4（TCP/IPv4）属性”对话框中手动配置静态地址，如图所示。
勾选“使用下面的IP地址(S)”复选框，然后输入所要使用的 IP 地址、子网掩码和默认网关。这些信息必须与自己所在的网络信息一致。在“使用下面的DNS服务器地址(E)”文本框中输入首选 DNS 服务器地址，一般为网关地址。
3.2 动态分配IP地址
动态分配是指计算机向 DHCP 服务器申请 IP 地址，获取后使用该地址。这时，计算机作为 DHCP 客户机。
在这个过程中，DHCP 客户机向 DHCP 服务器租用 IP 地址，DHCP 服务器只是暂时分配给客户机一个IP地址。只要租约到期，这个地址就会还给 DHCP 服务器，以供其他客户机使用。如果 DHCP 客户机仍需要一个 IP 地址来完成工作，则可以再申请另外一个 IP 地址。所以，计算机获取的IP地址每次都可能变化，属于动态分配。
在 Windows 系统中，用户可以在“Internet协议版本4（TCP/IPv4）属性”对话框中进行动态分配地址，如图所示。
这时，只要勾选“自动获得IP地址(0)”和“自动获得DNS服务器地址(B)”复选框，计算机就会尝试向 DHCP 服务器请求 IP 地址了。
3.3 零配置
在动态分配方式中，如果 DHCP 服务器不在线或出现故障等情况时，客户机就无法获取地址。这时，有些系统将会通过零配置技术为自己分配一个私有的地址，范围为 169.254.0.0~169.254.255.255。
参考资料
