3.5 IP地址及网络常识
互联网协议地址(internet protocol address，IP)，IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它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。IP地址给Internet上的每个通信设备分配一个编号，每台联网的PC上都需要有IP地址，这样才能正常通信。
IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个8位二进制数（即4个字节）。IP地址通常用点分十进制表示成“a.b.c.d”的形式，其中，a、b、c、d都是0～255之间的十进制整数。
常见的IP地址分为IPv4与IPv6两大类。IP地址编址方案将IP地址空间划分为A、B、C、D、E五类，其中A、B、C是基本类，D、E类作为多播和保留使用。
IPv4有4段数字，每一段最大不超过255。由于互联网的蓬勃发展，IP位址的需求量越来越大，使得IP位址的发放愈趋严格，各项资料显示，全球IPv4位址在2011年已经全部分发完毕。
地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。IPv6采用128位地址长度。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，IPv6的诞生可以给全球每一粒沙子配置一个IP地址，还考虑了在IPv4中解决不好的其他问题，如图3-8所示。
图3-8 IPv4与IPv6地址
3.5.1 IP地址分类
IPv4地址编址方案有A、B、C、D、E五类，其中A、B、C是基本类，D、E类作为多播和保留使用，各分类详解如下。
1．A类IP地址
一个A类IP地址是指，在IP地址的四段号码中，第一段号码为网络号码，剩下的三段号码为本地计算机的号码。如果用二进制表示IP地址的话，A类IP地址就由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是0。A类IP地址中网络的标识长度为8位，主机标识的长度为24位，A类网络地址数量较少，有126个网络，每个网络可以容纳主机数可达到1600万台。
A类IP地址范围为1.0.0.0～127.255.255.255（二进制表示为00000001000000000000000000000000～01111110111111111111111111111111)，最后一个为广播地址。A类IP地址的子网掩码为255.0.0.0，每个网络支持的最大主机数为2563－2＝16777214台。
2．B类IP地址
一个B类IP地址是指在IP地址的四段号码中，前两段号码为网络号码。如果用二进制表示IP地址的话，B类IP地址就由2字节的网络地址和2字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是10。
B类IP地址中网络的标识长度为16位，主机标识的长度为16位，B类网络地址适用于中等规模的网络，有16384个网络，每个网络所能容纳的计算机数为6万多台。
B类IP地址范围为128.0.0.0～191.255.255.255（二进制表示为10000000000000000000000000000000～10111111111111111111111111111111)，最后一个是广播地址。B类IP地址的子网掩码为255.255.0.0，每个网络支持的最大主机数为2562－2＝65534台。
3．C类IP地址
一个C类IP地址是指在IP地址的四段号码中，前三段号码为网络号码，剩下的一段号码为本地计算机的号码。如果用二进制表示IP地址的话，C类IP地址就由3字节的网络地址和1字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是110。C类IP地址中网络的标识长度为24位，主机标识的长度为8位，C类网络地址数量较多，有209万余个网络。适用于小规模的局域网络，每个网络最多只能包含254台计算机。
C类IP地址范围为192.0.0.0～223.255.255.255（二进制表示为11000000000000000000000000000000～11011111111111111111111111111111)。C类IP地址的子网掩码为255.255.255.0，每个网络支持的最大主机数为256－2＝254台。
4．D类IP地址
D类IP地址又称为多播地址(multicast address)，即组播地址。在以太网中，多播地址命名了一组应该在这个网络中应用接收到一个分组的站点。多播地址的最高位必须是1110，范围从224.0.0.0～239.255.255.255。
5．特殊的地址
每一个字节都为0的地址(0.0.0.0)表示当前主机，IP地址中的每一个字节都为1的IP地址(255.255.255.255)是当前子网的广播地址，IP地址中凡是以11110开头的E类IP地址都保留用于将来和实验使用。
IP地址中不能以十进制127作为开头，而以数字127.0.0.1～127.255.255.255段的IP地址称为回环地址，用于回路测试，如127.0.0.1可以代表本机IP地址，网络ID的第一个8位组也不能全置为0，全0表示本地网络。
3.5.2 子网掩码
子网掩码(subnet mask)又名网络掩码、地址掩码，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。
通常来讲，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。
子网掩码是一个32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以区别网络标识和主机标识，并说明该IP地址是在局域网上，还是在远程网上。
对于A类地址，默认的子网掩码是255.0.0.0，而对于B类地址来说默认的子网掩码是255.255.0.0，对于C类地址来说默认的子网掩码是255.255.255.0。
互联网是由各种小型网络构成的，每个网络上都有许多主机，这样便构成了一个有层次的结构。IP地址在设计时就考虑到地址分配的层次特点，将每个IP地址都分割成网络号和主机号两部分，以便于IP地址的寻址操作。
子网掩码的设定必须遵循一定的规则。与二进制IP地址相同，子网掩码由1和0组成，且1和0分别连续。子网掩码的长度也是32位，左边是网络位，用二进制数字1表示，1的数目等于网络位的长度；右边是主机位，用二进制数字0表示，0的数目等于主机位的长度。
3.5.3 网关地址
网关(gateway)是一个网络连接到另一个网络的“关口”，网关实质上是一个网络通向其他网络的IP地址。主要用于不同网络间传输数据。
例如电脑设备上网，如果是接入到同一个交换机，在交换机内部传输数据是不需要经过网关的，但是如果两台设备不在一个交换机网络，则需要在本机配置网关，内网主机的数据通过网关，网关把数据转发到其他的网络的网关，直至找到对方的主机网络，然后返回数据。
3.5.4 MAC地址
媒体访问控制(media access control，MAC)是物理地址、硬件地址，用来定义网络设备的位置。
在OSI模型中，第三层网络层负责IP地址，第二层数据链路层则负责MAC地址。因此一个主机会有一个MAC地址，而每个网络位置会有一个专属于它的IP地址。
IP地址工作在OSI参考模型的第三层网络层。两者之间分工明确，默契合作，完成通信过程。IP地址专注于网络层，将数据包从一个网络转发到另外一个网络；而MAC地址则专注于数据链路层，将一个数据帧从一个节点传送到相同链路的另一个节点。
IP地址和MAC地址一般是成对出现的。如果一台计算机要和网络中另一台计算机通信，那么这两台设备必须配置IP地址和MAC地址，而MAC地址是网卡出厂时设定的，这样配置的IP地址就和MAC地址形成了一种对应关系。
在数据通信时，IP地址负责表示计算机的网络层地址，网络层设备（如路由器）根据IP地址来进行操作；MAC地址负责表示计算机的数据链路层地址，数据链路层设备，根据MAC地址来进行操作。IP地址和MAC地址这种映射关系是通过地址解析协议(address resolution protocol，ARP)来实现的。