本文主要是介绍计算机网络：网络层 - IPv4地址，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
计算机网络：网络层 - IPv4地址
- 分类编址
- 划分子网
- 子网掩码
- 无分类编址 CIDR
- CIDR 地址块
- 构造超网
在酒店中，每个房间都有门牌号码，服务员送餐时，就可以根据门牌号码来判断一份餐要送到那个房间。
在网络中也是如此，一份数据发送到网络中，也要通过一个标识符来判断这个数据要发送到哪一台主机，而这个标识符就叫做IP地址。
本博客讲解的IP地址为IPv4版本的IPv4地址，其由32个比特构成。
比如地址：00001010 11110000 00001111 10101010，这样的地址太难记忆了，我们往往会把每八位分为一组，并写为十进制形式：
最后再用.把每个数字分开，地址就变成了10.240.15.170，这种记法称为点分十进制。
IPv4地址的编址方法经历了如下三个历史阶段：分类编址，划分子网，无分类编址。
分类编址
在互联网发展早期采用的是分类的、两级结构的 IP 地址，由两个字段组成：
- 第一个字段是
网络号，标志主机（或路由器）所连接到的网络 - 第二个字段是
主机号，标志该主机（或路由器）本身
拥有相同网络号的主机，视为处于同一个网络中。那么现在的问题就是，得到一个IP地址后，怎么判断哪一部分是主机号，那一部分是网络号呢？这是通过分类来实现的。
分类编址的IP地址分为A、B、C、D、 E 五类：
地址的分类规则如下：
- 首先根据第一位比特位：第一位为
0的地址，就是A类地址；第一位为1的地址包含B，C，D，E类地址。 - 再看第二位：当前两位为
10，就是B类地址；前两位为11的地址包含C，D，E类地址。 - 再看第三位：当前三位为
110，就是C类地址；前三位为111的地址包含D，E类地址。 - 最后看第四位：如果前四位为
1110，则为D类地址；如果前四位为1111，则为E类地址。
每一种类型地址的网络号与主机号的位数，都是固定的
表格如下：
| 分类 | 网络号 | 主机号 | 最高位 |
|---|---|---|---|
| A类 | 8位 | 24位 | 0 |
| B类 | 16位 | 16位 | 10 |
| C类 | 24位 | 8位 | 110 |
而D类和E类地址比较特殊：
D类地址是多播地址，最高4位固定为1110。E类地址是保留地址，最高4位固定为1111。
只有A，B，C类地址可以分配给网络中的主机和路由器。
接下来我们来详谈A，B，C三类地址：
A类地址：
在A类地址中，包含8位网络号与24位主机号，如下：
对于网络号部分，A类地址包含从00000000到01111111的网络号，即[0, 127]。
这些网络号被分为三部分：
0：网络号为00000000的地址，被保留下来，不会给主机使用[1, 126]：这一段网络号是可以指派个给主机正常使用的127：即网络号01111111，该网络号内部的所有地址，称为本地环回地址，不给主机使用
我简单说明一下本地环回地址，这是一个用于测试的地址，用于在同一台计算机上进行网络通信。比如说你写了一个程序，要通过网络在不同主机之间通信。如果你想要测试你的程序是否可以利用网络通信，此时就可以用本地环回地址。
例如：当你开发一个网络应用程序，需要测试它是否能与服务器通信时，你可以使用本地环回地址来模拟这个过程。你可以在本地计算机上安装一个服务器，并使用本地环回地址 (127.0.0.1) 来连接到该服务器。这样，你就可以在不连接到实际网络的情况下测试你的应用程序。
现在聊完了网络号，再看看主机号：
对于可以指派的[1, 126]区间的网络号，以网络号为123为例，其主机号也分为三部分：
123.0.0.0：即主机号为全0，这个主机号不会分配给主机使用，而是用于标识这整个网络123.255.255.255：即主机号为全1，这个主机号也不会分配给主机使用，而是用于在网络内部进行广播，称为广播地址其它：只要主机号不为全0或全1，就可以给主机正常使用
对于A类地址而言，每个网络中可以分配的IP地址数为：
2 24 − 2 = 16777214 {\color{Red} 2^{24} - 2 = 16777214} 224−2=16777214
也就是一千六百七十多万个，其中-2是要减去全0和全1的两个地址。
B，C类地址：
相比于A类地址，B和C类地址的结构非常简单，因为B和C类地址中不用考虑本地环回地址，也没有被保留的地址。
以B类地址为例：
对于网络号：B类和C类地址的所有网络号都可以分配，没有特殊的网络号。
比如对于B类地址，其最小可分配的网络号为10000000 00000000，即128.0；而其最大可分配的网络号为10111111 11111111，即191.255。
对于主机号：全0的主机号表示本网络，全1的主机号表示该网络的广播地址。
对于B类地址而言，每个网络中可以分配的IP地址数为：
2 16 − 2 = 65534 {\color{Red} 2^{16} - 2 = 65534} 216−2=65534
对于C类地址而言，每个网络中可以分配的IP地址数为：
2 8 − 2 = 254 {\color{Red} 2^{8} - 2 = 254} 28−2=254
接下来我汇总一下所有特殊的IP地址：
| 网络号 | 主机号 | 是否可做源地址 | 是否可做目的地址 | 含义 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 可以 | 不可以 | 代表本网络的本主机 |
| 0 | X | 可以 | 不可以 | 代表本网络的主机号为 X 的主机 |
| 全1 | 全1 | 不可以 | 可以 | 在本网络上广播 |
| Y | 全1 | 不可以 | 可以 | 在网络号为 Y 的网络上广播 |
| Y | 全0 | 不可以 | 不可以 | 表示网络号为 Y 的整个网络 |
| 127 | 非全0，非全1的任何数 | 可以 | 可以 | 本地环回地址 |
划分子网
接下来我们讲解IPv4地址的第二个发展阶段，划分子网。
在分类网络中，我们会存在地址浪费的问题，假设某个单位有300个人，按照分类编址，请问要给这个单位划分哪一类的地址呢？
B类网络中，每个网络含有的IP地址数目为65534，而C类网络中，每个网络含有的IP地址数目为254。那么问题就来了：如果给这个单位C类网络，IP地址数目不够，如果给这个单位B类网络，就会浪费掉六万多个IP地址。
为了解决这种资源浪费的问题，IP地址进行了划分子网。
划分子网的思想就是：将一个大的网络，划分为更多个小的子网络。
此时IP地址被划分为了网络号，子网号，主机号三部分：
从上图的网络号可以看出，这是一个B类地址，注意：子网划分是建立在分类编址之上的，所以网络号部分依然可以标识A，B，C类地址，也遵循之前的分类编址规则。
那么这个子网号是如何凭空出现的呢？这个子网号，其实是从主机号中分出来的。
那么这个子网号有啥作用呢？对于网络号和子网号都相同的主机，视为处于同一个网络中！
那么我们再来看看一开始的问题：一个单位有300人，现在要如何给这个单位分配网络？
刚才我们分析过，要分配一个B类地址给这个网络，但是B类地址中有65534个地址，对这个单位来说又太多了，所以我们可以将这个B类地址划分为更多个子网！
假设我们要对166.16.0.0这B类网络进行划分，我们可以分配 2 9 = 512 2^{9} = 512 29=512 个地址给这个单位，也就是说对于原先的16位主机号，只保留9位，剩下7位拿去做子网号：
此时整个166.16.0.0网络就被分为了 2 7 = 128 2^{7} = 128 27=128 个子网络，也就是子网号从0000000到1111111：
现在把其中一个子网分配给该单位，剩下的127个子网给别的地方用，这样就可以大幅减少IP地址的浪费了！
假设这个单位分配到的子网号为1010101，并不是所有的IP地址都可以分配。
与之前相同的，主机号全0表示该网络，不可以分配，而主机号全1是广播地址，也不能分配，所以这个子网中可以分配的IP地址总数为： 2 9 − 2 = 510 2^{9} - 2= 510 29−2=510 个。
子网掩码
划分子网后，原来属于一个网络的IP地址有可能会被划分在不同的子网，那么如何判断一个IP地址的子网号是哪一部分呢？
这就需要用到子网掩码 (subnet mask)，子网掩码也是32位，由一串连续的1和一串连续的0组成，比如11111111 11111111 11110000 00000000。
那么子网掩码有什么用呢？子网掩码的1部分，对应IP地址中的网络号和子网号，而子网掩码的0部分，对应IP地址的主机号，如下：
比如以上示例中，主机号为145.13，子网号为3，它们对应的子网掩码都是1，而主机号为10，对应的子网掩码为0。
将一个IP地址与它的子网掩码进行按位与运算，就可以得到该IP地址所处的网络。
例如：已知 IP 地址是 128.14.35.7，子网掩码是 255.255.240.0，求网络地址
将地址128.14.35.7转为二进制：
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1
再把子网掩码255.255.240.0转为二进制：
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
将两者按位与：
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
----------------------------------------------------------------
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
再把10000000000011100010转为点分十进制128.14.32.0，此时就得到了网络地址。
由于A类，B类，C类地址都有固定的主机号，所以它们的子网掩码都是有默认值的，比如A类地址的主机号有8位，那么子网掩码前面至少有8位1，那么子网掩码的默认值就是11111111 00000000 00000000 00000000，点分十进制位255.0.0.0，这种子网掩码称为默认子网掩码。
各分类地址的默认子网掩码如下：
无分类编址 CIDR
IPv4地址 编址方法的第三个历史阶段，是无分类编址的 IPv4地址。
尽管之前介绍的划分子网的 IPv4地址在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难，但是因特网的 IP 地址仍在加速消耗整个 IPV4 地址空间，面临全部耗尽的威胁。为此，因特网工程任务组又提出了采用无分类编址的方法来解决 IPv4地址 紧张的问题。
1993 年英特网工程任务组发布了无分类域间路由选择的相关 RFC 文档。无分类域间路由选择的英文缩写词为CIDR，消除了传统 A 类、 B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，因此可以更加有效的分配 IPV4 的地址空间。
这里有一个很重要的信息，那就是无分类编址 CIDR已经推翻了之前的分类编址和划分子网，是一套全新的IP地址体系，接下来的学习不要带入之前的概念，要看做是一个新的体系去学习。当然，CIDR也有很多和之前相似的地方，它继承了先前的IP地址设计的优点，并优化了部分缺点。
CIDR编址中，IP地址的格式如下：
其与分类编址中的网络号 + 主机号的模式很像，但是CIDR中，网络前缀的长度是任意的，不受限制，而分类编址中网络号的长度是固定的。
那么对于一个IP地址，要如何知道其有多少位网络前缀呢？
CIDR使用斜线记法或称为CIDR记法，即在IP地址的末尾加上一个斜线'/'，写上网络前缀所占的位数。例如128.14.35.7/20这个地址，就是指前20位为网络前缀，剩下的12位是主机号。
如果想要求出CIDR编址下，IP地址所处的网络，其实就是把主机号的所有比特位变为0，保留网络前缀即可，当然你也可以用通过与子网掩码进行按位与的方法求网络地址，通过反斜线记法可以很轻松求出子网掩码。
CIDR 地址块
CIDR把网络前缀都相同的连续IP地址组成一个CIDR地址块
比如128.14.32.0/20，这就是一个CIDR地址块，其表示前20位网络前缀为128.14.32的所有地址聚合成的一个地址块，也可以表示一个网络。
如下图：
要注意，CIDR地址块中包含的地址数，一定是 2 n 2^{n} 2n 个。
接下来我带大家辨析一些网络地址：
128.14.35.7
该地址是一个IP地址，但是没有通过反斜线记法表示其网络前缀的位数，所以不知道其网络。
128.14.35.7/20
该地址是一个IP地址，并通过/20表示该地址的网络前缀为20位。
128.14.32.0/20
其有两种可能，如果其表示IP地址，那么这就是一个主机号为全0的IP地址。
因为其主机号全0，所以其也有可能表示CIDR地址块。
接下来我们看一些特殊的CIDR地址块：
| 网络前缀长度 | 子网掩码 | 含义 |
|---|---|---|
/32 | 255.255.255.255 | 一个IP地址，这个地址一般在路由器中来指定一台主机 |
/31 | 255.255.255.254 | 这种地址块中，只有两个地址，也就是最后一位主机号分别为1和0，这种地址用于进行点对点链路通信，此时主机号全1不再表示广播，因为点对点链路没有广播的概念 |
/0 | 0.0.0.0 | 这是全球所有IP地址构成的一个地址块，如果主机号也为全0，即0.0.0.0/0，则表示路由器中的默认路由 |
构造超网
当多个网络有相同的前缀时，可以把这些网络构造为一个更大的网络，该过程叫做
构造超网
比如以下案例：
以上的16个网络中，它们都是/24的网络，也就是它们的网络前缀都是20位，但这些网络的前20位都相同，只有第[21, 24]位不同，所以我们可以把它变为一个统一的网络，前缀为：128.14.0000，也就是128.14.0.0/20这个网络。这就是构造超网。
有人可以会认为，这个过程不就是把地址统一为CIDR地址块吗？不，两者有很大区别，CIDR地址块是把众多IP地址统一到一个地址块中；而构造超网是把众多网络统一到一个更大的网络中。
即：CIDR地址块统一的是IP地址，而构造超网统一的是网络。
构造超网有以下要求：
- 所有网络的
IP地址必须连续 - 网络的总数必须是 2 n 2^{n} 2n 个
- 所有网络中的最小地址和最大地址，必须构成超网的边界
所谓构成边界，就是说比如说上例中，我们把很多/24的网络构造成了一个/20的网络。那么第[21, 24]位中，最小值必须是0000，最大值必须是1111，这就是两个边界值。并且这两个值中间的所有值都必须连续存在，即第一条规则。
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