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IP编址

接口（interface）:

主机/路由器与物理链路的边界
路由器有多个接口
主机典型地有一个或两个接口（比如以太网接口、Wifi接口）

IP address:

每个网络接口对应一个IP地址
IP地址是一个32位的二进制数，通常用点分十进制数表示

基于类的编址（早期）

在这里插入图片描述

单播地址结构

单播地址除类别标识外，其余比特被划分成网络号和主机号两部分：

网络号：在因特网范围内标识一个物理网络
主机号：标识该物理网络上的一个网络接口

根据该编址方法可知，同一个物理网络上的网络接口，它们的IP地址具有相同的网络号

地址分配

因特网中的每个接口必须具有唯一的IP地址

为在因特网范围内保证IP地址的全局唯一性：

网络号由ICANN统一分配
主机号由网络管理员统一分配

建立私有网络的组织可以自己选择网络号，但同样必须保证每个网络号在私有网络内的唯一性

特殊的地址

全0或全1的网络号及主机号是特殊地址，从不分配给特定的网络接口：

网络号有效、主机号全为0的地址：保留给网络本身。
网络号有效、主机号全为1的地址：保留作为定向广播，即在网络号指定的网络中广播（仅用作目的地址）
32位全1的地址：本地广播地址，表示仅在发送节点所在的网络中广播（仅用作目的地址）
32位全0的地址：指示本机（仅用作源地址）
网络号为0、主机号有效的地址：指代本网中的主机
形如127.x.y.z的地址：保留作为回路测试，发送到这个地址的分组不输出到线路上，而是送回内部的接收端。

网络数量与地址数量

A、B、C类地址对应不同规模的网络

一个A类、B类及C类地址可提供的接口地址数：

A类地址： $2^{24}-2 = 16777214$
B类地址： $2^{16}-2 = 65534$
C类地址： $2^8-2 = 254$

A类、B类、C类地址的个数：

A类地址： $2^7-2 = 126$

B类地址： $2^{14}-2 = 16382$

C类地址： $2^{21}-2 = 2097152$

子网

子网（Subnet） 是对一个 IP 网络进行划分的技术。通过子网划分，能够将一个大的网络分割成多个更小的网络，这样可以提高网络的管理、性能和安全性。子网的划分是基于 IP 地址 和 子网掩码（Subnet Mask） 来进行的。

子网划分：通过调整 子网掩码，将一个大的网络地址空间划分为多个小的地址空间。每个子网都有自己的网络地址、广播地址和可用地址。
子网掩码（Subnet Mask）：子网掩码是一个与 IP 地址一样长度的二进制数，用来确定 IP 地址中哪些位是网络位，哪些位是主机位。通过子网掩码，路由器可以判断一个 IP 地址是否属于本地网络。
- 子网掩码通常采用四个字节的格式（如 255.255.255.0）。
- 在二进制中，子网掩码的网络部分是连续的 1，主机部分是连续的 0。

如何从IP地址中获取子网地址？

将IP地址与子网掩码做“与”运算
例如：128.10.1.1 AND 255.255.255.0 = 128.10.1.0
注意：子网地址 ≠ 子网号，子网地址包括主机号之前的所有比特

子网：更确切的含义

具有相同子网地址、且不需要通过路由器就可以相互到达的网络接口构成一个子网
在因特网文献中，子网也称为IP网络或直接称为网络

在这里插入图片描述

子网内部的接口具有相同的子网地址
子网内部的通信不需要经过路由器
子网之间通信一定要经过路由器

IP数据报转发

网络层转发数据报的两种情形：

直接交付（direct delivery）：节点将数据包直接发送给目的主机（不需要其它路由器转发）
间接交付（indirect delivery）：节点将数据包转发给一个路由器去处理

判断使用直接交付还是间接交付

直接交付：数据包的目的地址与本节点的某一端口在同一个子网中
间接交付：数据包的目的地址不与本节点的任何一个端口在同一个子网中

间接交付的实现：

节点查找转发表，将数据包发送给下一个路由器

转发表

转发表记录目的地址到输出端口的映射

取决于目的地址类型的不同，有三类转发表项：

目的地址是一个子网地址：地址前缀表项
目的地址是一个特定的网络接口地址：特定主机表项
缺省项：不匹配所有其它表项的地址都被映射到一个默认的路由器端口

IP采用逐跳选路：

每个转发表项只记录去往目的地址的下一跳信息（下一个要到达的路由器端口），而不是一条完整的端到端路由

每个转发表项包括：

目的地址/掩码、下一跳地址、输出端口等
下一跳地址必须与输出端口在同一个子网中（不需要通过其它路由器就可以直接到达）

CIDR:Classless Inter-Domain Routing（无类域间路由）

CIDR 的核心思想是 不再依赖固定的类（A、B、C），而是使用 前缀长度 来灵活地划分地址空间。CIDR 使用类似于 IP地址/前缀长度 的表示方式来标识网络，前缀长度表示网络部分的位数，而剩余的部分则用于主机地址。

IP 地址：通常表示为 a.b.c.d（四个字节），每个字节的取值范围是 0-255。
前缀长度：表示 IP 地址中网络部分的位数，后面跟着斜杠（/），如 /24，表示前 24 位是网络位。

CIDR地址分配的原则：

地址块的长度 L 必须是 2 的幂次
所有地址的前（32-log2L）位必须

地址聚合

转发表中符合以下条件的若干个表项可以合并成一个表项：

这些表项的目的地址可以聚合成一个前缀更短的地址
这些表项使用相同的下一跳

若个别(少数)表项不满足路由聚合的条件：

仍然可以在转发表中给出一条聚合表项： 200.23.16.0/20
同时给出不能被聚合的表项： 200.23.18.0/23

最长前缀匹配：

在所有匹配的路由表项中，选择前缀最长的表项

IP编址的小结

基于类的编址存在两个问题：

地址空间浪费
转发表空间爆炸

CIDR解决了这两个问题：

按需分配解决了地址空间浪费的问题
地址聚合解决了转发表空间爆炸的问题

CIDR引入的问题：

地址聚合要求采用最长前缀匹配的原则查找转发表
最长前缀匹配给转发表的快速查找带来了困难