Internet Protocol version 4(IPv4)网际协议版本4

什么是IPv4

IPv4，全称Internet Protocol version 4，即网际协议版本4，也叫互联网通信协议第四版。IPv4在IE
TF于1981年9月发布的RFC 791中被描述，此RFC替换了于1980年1月发布的RFC 760，也是此协议第一个被
广泛部署的版本。IPv4是互联网的核心，也是使用最广泛的网际协议版本。IPv4是一种无连接的协议，操作
在使用分组交换的链路层（如以太网）上。此协议会尽最大努力交付数据包，意即它不保证任何数据包均能
送达目的地，也不保证所有数据包均按照正确的顺序无重复地到达。这些方面是由上层的传输协议（如传输
控制协议）处理的。

如下图所示，相信无论对网络是否熟悉都知道下图就是我们在电脑中配置的IP地址，这个地址就是IPv4版本
的地址。通过这个地址我们才能进行上网等操作。从下图中可以看到除了IP地址，还有子网掩码。本篇我们
就来介绍一下关于IPv4地址的相关基础知识。

IPv4地址介绍

IPv4使用32位2进制位的地址，即32个0和1组成，例如：11000000101010000001111100000100，很显然
这个地址格式并不适合人们使用，所以通过将32位2进制的地址分成4组，然后把每一组都转换成十进制，就
变成了我们现在所熟悉的IP地址了。比如上面的11000000.10101000.00011111.00000100转换成十进制就
变成了192.168.31.4。理论上每一个接入到网络的设备，比如手机，电脑，网络摄像头等设备都会获得一个
独一无二的IP地址。但是，IPv4的地址数量是有限的，32位二进制地址大约只有43亿个地址，2011年在最后
5个地址块被分配给5个区域互联网注册管理机构之后，IANA的主要地址池已经用尽。目前全世界可以接入网
络的设备远远大于43亿，所以，每个设备都获得一个独一无二的IPv4 IP地址是不可能的。

IPv4地址分类
IPv4地址按照网络ID（Network ID）长度分成三个不同的类别，分别是Class A、Class B、Class C。
● Class A
Network ID的首位为0的话，就拿首8位做Network ID，每个Class A拥有2的24次方个地址，也就是
16777216个IP地址。

● Class B
Network ID的首两位为10的话，就拿首16位做Network ID，每个Class B拥有2的16次方个地址，也就
是65536个IP地址。

● Class C
Network ID的首三位为110的话，就拿首24位做Network ID，每个Class C拥有2的8次方个地址，也就
是256个IP地址。

子网掩码Subnet Mask

子网掩码(subnet mask)又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它是一种用来指明一个IP地址的哪些位
标识的是主机所在的子网，以及哪些位标识的是主机的位掩码。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地
址一起使用。子网掩码只有一个作用，就是将某个IP地址划分成网络地址和主机地址两部分。为什么需要
子网掩码呢？因为如果只按前面所介绍的三类地址提供IP地址，你会发现这些地址很快就会被用光了，Net
work ID根本就不够用。于是乎，子网掩码就出现了，使用子网掩码将Class A/B/C的Network进行更精细
的切割，通过调整Network ID的长度来进一步提供更多的IP地址。

我们以192.168.31.0（11000000.10101000.00011111.00000000）为例，这是一个Class C地址，Netw
ork ID为24位，可容纳256个IP地址。假设有两个网络，每个网络只需要100个IP地址，如果使用两个这样
的C类地址，很明显造成了IP地址的浪费，这时就可以通过子网掩码将这个C类地址分割成两个独立的地址
段。把Network ID由24调整为25，这个网络即可被分成两个可容纳128个IP地址的网络。从而高效的利用了
IP地址资源。调整完毕以后，两个子网如下：

● 子网A
IP地址=11000000.10101000.00011111.0XXXXXXX=192.168.31.0192.168.31.127
● 子网B
IP地址=11000000.10101000.00011111.1XXXXXXX=192.168.31.128192.168.31.255

通过以上规划，已经将一个网段分成了两个子网段，那么现在两个子网段的子网掩码应该是多少呢？每个子
网的Network ID长度为25，按32位表示就是25个1=11111111.11111111.11111111.10000000，转换成十
进制子网掩码就是255.255.255.128。所以要表示子网A中的一个IP地址举个例子就是：
192.168.31.88/255.255.255.128，也可以写成192.168.31.88/25。

前面我们讲的是为了避免IP资源浪费，从而把一个地址精细的网段切割成几个小网段。那么如果一个网段现
在需要的IP地址超出了现有网段的IP地址容量应该怎么办？同样的，我们也可以将几个相邻的网段通过子网
掩码组合成一个大网段。比如现在有4个相邻的网段如下：
● 192.168.81.0/24
● 192.168.82.0/24
● 192.168.83.0/24
● 192.168.84.0/24
将其转换为二进制来进行一下比较：
● 11000000.10101000.01010001.00000000
● 11000000.10101000.01010010.00000000
● 11000000.10101000.01010011.00000000
● 11000000.10101000.01010100.00000000
首先看Network ID部份（前24位），其中前21位都是相同的。也就是说，如果把Network ID调整为21位，
就可以包括这四个独立的网段，所以我们把这这4个网段的Network ID合并起来，就得到下面的网络地址：
11000000.10101000.01010000.00000000，21位地址转换成十进制后子网掩码就是:
192.168.80.0 / 255.255.248.0。

VLSM可变长子网掩码

前面我们所介绍的可以加减子网掩码长度的方式就叫作VLSM(Variable Length Subnet Masking)可变长
子网掩码。采用了这种掩码的网络就叫作Classless Network，无类别网络。使用VLSM的好处就是节约IP
地址的空间；减少路由表大小。使用VLSM时，所采用的路由协议必须能够支持它，这些路由协议叫作无类别
域间路由，包括RIPv2、OSPF、EIGRP和BGP。需要注意的是，每一个网络中的第一个IP地址为Network ID，
所以不可以使用，最后一个IP地址为广播地址，也不可以使用。采用VLSM时要注意网段的IP地址要多于两个
IP地址才有用，所以最小的网络掩码/30、/31、/32是没有意义的。

特殊IP地址

IPv4地址中有一些地址段有特殊用途，这些地址段及用途如下图：