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IPv4 地址详解 ​

本文详细介绍 IPv4 地址的结构、分类、子网掩码与 CIDR 表記法。

目录 ​

IPv4 地址结构 ​

IPv4 地址由 32 位二进制数组成，通常以点分十进制表示：

192.168.1.1

二进制转换 ​

每个十进制数对应 8 位二进制：

十进制二进制
19211000000
16810101000
100000001
100000001

地址范围 ​

  • 最小：0.0.0.0
  • 最大：255.255.255.255
  • 总计：约 43 亿（2^32 = 4,294,967,296）个地址

IP 地址分类 ​

传统上将 IPv4 地址分为五类：

类别范围用途默认子网掩码可用主机数
A 类0.0.0.0 - 127.255.255.255大型网络255.0.0.0 (/8)16,777,214
B 类128.0.0.0 - 191.255.255.255中型网络255.255.0.0 (/16)65,534
C 类192.0.0.0 - 223.255.255.255小型网络255.255.255.0 (/24)254
D 类224.0.0.0 - 239.255.255.255多播/组播--
E 类240.0.0.0 - 255.255.255.255保留实验--

各类地址结构 ​

A 类: [网络标识(8位)][主机标识(24位)]
      0xxxxxxx

B 类: [网络标识(16位)][主机标识(16位)]
      10xxxxxx

C 类: [网络标识(24位)][主机标识(8位)]
      110xxxxx

D 类: [多播组地址(28位)]
      1110xxxx

E 类: [保留(28位)]
      1111xxxx

私有地址范围 ​

类别私有地址范围CIDR 表示
A 类10.0.0.0 - 10.255.255.25510.0.0.0/8
B 类172.16.0.0 - 172.31.255.255172.16.0.0/12
C 类192.168.0.0 - 192.168.255.255192.168.0.0/16

特殊 IP 地址 ​

地址用途说明
127.0.0.1本机回环地址localhost，永远指向本机
0.0.0.0网络地址/通配符监听所有网络接口；也表示"本网络"
255.255.255.255广播地址向本地网络所有主机发送
169.254.x.x链路本地地址DHCP 请求失败时 Windows 自动分配
224.x.x.x - 239.x.x.x组播地址D 类地址，用于组播通信

回环地址详解 ​

127.0.0.1       - localhost
127.0.0.2       - 本机
127.0.0.255     - 网络回环
127.255.255.255 - 广播回环
127.0.0.0/8     - 整个回环网络

私有 IP vs 公有 IP ​

公有 IP ​

  • 全球唯一，由 IANA 管理分配
  • 可在互联网路上路由
  • 必须付费申请或从 ISP 获取

私有 IP ​

  • 仅在局域网内使用
  • 不可直接访问互联网
  • 通过 NAT（网络地址转换）共享公有 IP

NAT 工作原理 ​

┌─────────────┐         ┌─────────────┐         ┌─────────────┐
│  私有网络    │   NAT   │   路由器     │   公网   │   互联网    │
│             │  ──────> │             │  ──────> │             │
│ 192.168.1.2 │         │  公网IP:203.0 │         │             │
│ 192.168.1.3 │         │  113.0.113.50 │         │             │
└─────────────┘         └─────────────┘         └─────────────┘

子网掩码与 CIDR ​

子网掩码 ​

子网掩码用于区分 IP 地址中的网络部分和主机部分：

IP 地址:   192.168.1.100
子网掩码:   255.255.255.0
           ────────────  ───
             网络部分    主机部分

二进制:
IP:        11000000.10101000.00000001.01100100
子网掩码:  11111111.11111111.11111111.00000000
                                        ───
                                      全0=网络地址
                                      全1=广播地址

CIDR 表示法 ​

CIDR（无类别域间路由）用斜线后面的数字表示网络位数：

CIDR子网掩码网络位数主机位数可用主机数
/8255.0.0.082416,777,214
/16255.255.0.0161665,534
/24255.255.255.0248254
/25255.255.255.128257126
/26255.255.255.19226662
/27255.255.255.22427530
/28255.255.255.24028414
/29255.255.255.2482936
/30255.255.255.2523022
/31255.255.255.2543110 (点对点)
/32255.255.255.2553201 (单个 IP)

CIDR 计算示例 ​

192.168.1.0/24：

网络地址:   192.168.1.0      (主机位全0)
可用范围:   192.168.1.1 - 192.168.1.254
广播地址:   192.168.1.255    (主机位全1)

10.0.0.0/8：

网络地址:   10.0.0.0
可用范围:   10.0.0.1 - 10.255.255.254
广播地址:   10.255.255.255

变长子网掩码 VLSM ​

VLSM 允许在同一网络内使用不同长度的子网掩码，最大化利用地址空间。

示例：分配 200 台主机 ​

bash
# 需要 /24 网段（254 主机）给 PC 部门
# 需要 /26 网段（62 主机）给 Server 部门
# 需要 /27 网段（30 主机）给 VoIP 部门

网络: 192.168.1.0/24

┌────────────────────────────────────────┐
│ 192.168.1.0/24 (254 主机)              │
├──────────────────────┬─────────────────┤
│ PC 部门               │ Server 部门      │
│ 192.168.1.0/25       │ 192.168.1.128/26 │
│ (126 主机)           │ (62 主机)        │
├──────────────────────┼─────────────────┤
│ VoIP 部门             │ 预留             │
│ 192.168.1.192/27     │ 192.168.1.224/27 │
│ (30 主机)            │ (30 主机)        │
└──────────────────────┴─────────────────┘

IPv4 与 IPv6 对比 ​

特性IPv4IPv6
地址长度32 位128 位
地址数量约 43 亿约 340 涧（3.4×10^38）
表示方法点分十进制冒号十六进制
子网掩码必须（/24 等）前缀长度（/64 等）
私有地址10.x.x.x 等fc00::/7
广播有无（使用组播）
配置手动或 DHCPSLAAC/DHCPv6
安全可选 IPsec强制 IPsec
校验和有无

历史背景

IPv4 于 1981 年发布，当时设计者认为 43 亿地址已经足够多。如今地址已耗尽，IPv6 正在逐步推广中。