从MAC地址到 IP地址

学习到此处，我们又要来回忆一遍，数据的发送过程：用户主机产生的数据报文从本机TCP/IP协议栈的应用层（也就是最顶层）开始一层一层往下，封装数据，到传输层封装成报文，到网络层封装成数据包，到数据链路层是数据帧，到物理层转换成比特流，再通过传输介质发送出去，到达接收方后，接收方再向上一层一层解封装，还原数据。

经过了前面数据链路层的学习，我们应该知道，主机和主机之间的通信，从根本上来说，靠的就是MAC地址的寻址，只有知道对方的MAC地址才能最终把数据发送给对方，因为MAC地址是具有全球唯一性的，一个MAC地址就可以唯一标识一个主机。

现在我们来回想一下MAC地址的格式，它是48位二进制，一般分为6段，每段8位，用十六进制的数表示出来，比如AA-BB-CC-DD-EE-FF，这就是一个MAC地址的例子。虽然我们在学习过程中，例子可以随便举，但实际情况中，并没有这么随便的地址。

所以，就造成了这样一种情况：如果某个用户主机想要和世界上任何一台主机通信，那就必须要知道对方主机的MAC地址，但是要让一台主机记住世界上所有的MAC地址，显然是不现实的，而如果把这个问题放到网络层的高度，用网络层的IP地址来寻址，那就会迎刃而解。

IP地址的出现，把整个的物理网络就虚拟成了一个大的逻辑网络，这样做的意义是：不管底层的MAC地址是什么格式，有多么复杂，都可以使用统一格式的IP地址来识别它们。在这个大的逻辑网络中，所有的主机都具有自己的IP地址，这个IP地址就是在整个网络中可以让别人找到自己的一个标识。

说到这里，你可以会产生这样两个问题，第一是“如果使用IP地址寻址的话，就不用记住世界上所有的IP地址吗”，第二是“根据上面的描述，意思就是IP地址也必须是具有唯一性的吗，否则别人怎么找到我呢”。

这两个问题，属于网络初学者经常迷茫的问题。首先，如果使用IP地址寻址的话，不用记住世界上所有的IP地址，就可以找到世界上任何一台主机，原理是这样的：比如我们的主机和国外的一台主机通讯，我们的数据包发送出去之后，会有网络中的大量的路由器去处理，路由器会根据一些算法帮我们把数据送达到目的主机；第二，IP地址确实必须具有唯一性，否则路由器就不能为数据包精确找到目的地。

IP地址必须具有唯一性，这句话有很多平日细心观察的小伙伴，可能会提出质疑，他可能观察过这样一种情况：举个例子，当他自己家使用电脑上网的时候，发现他的IP地址是192.168.1.1，这时候他去邻居家，发现人家的电脑的IP地址也是192.168.1.1，后来他去一个好朋友家，发现他朋友家电脑的IP地址也是192.168.1.1。好多地方都是一样的，这不是冲突了吗，怎么会具有唯一性呢。其实啊，这是因为应用了路由的NAT技术，这个技术的出现，大大节约了IP地址的资源，这是一个很重要的技术，我们以后会详细讲到。

IP地址的表示

首先我们来说，IP地址有两种表示形式，但是要注意的是，这两种表示形式，可不同于MAC地址，MAC地址的两种表示形式本质上是一样的，比如AA-BB-CC-DD-EE-FF 和 AABB-CCDD-EEFF，这两种表示方法说到底没什么区别，但是IP地址就不同了，因为IP协议有两个版本，一个是版本4，一个是版本6，即IPv4和IPv6，这两个版本使用的IP地址的格式是不一样的。

因为IPv4被设计出来以后，没有过多考虑到以后IP地址数量被用尽了怎么办，随着互联网迅速的发展，大规模的用户接入，IPv4的地址很快就要要被用尽，后来应用了NAT技术，虽然缓解了很大的压力，但也不能从根本上解决问题，所以后来提出了IPv6的计划，IPv6号称“让地球上的每一粒沙子都有自己的IP地址”，虽然有些夸张了，但是这意味着IPv6的地址空间是非常巨大的。截止到现在，IPv4的地址已经被用尽，现在我们所处的阶段，正是IPv4向IPv6过渡的一个阶段。

关于IPv6的知识，我们以后会单独作为一节，目前，在日常生活中，IPv4的地址还在被大多数使用，各种的考试也把IPv4作为重点来考，所以我们着重学习IPv4。

IPv4地址的表示格式是：由32位二进制组成，分为4组，每组8位，通常用点分十进制表示出来，比如192.168.0.1，它就是由二进制11000000.10101000.00000000.00000001转换而来的，对于路由器来说，它能认识这些二进制，而对于我们人来说，使用点分十进制的192.168.0.1这种形式更容易接受。

IP地址的分类

IP地址可以按不同的角度进行分类，比如A/B/C类，公网地址、私网地址、专用地址等。但在本节内容中，我们只讨论A/B/C类，不讨论别的角度。

首先，我们要知道IP地址的32位二进制数，它并不是无意义的四串数字的组合，它的每一串都是有意义的。IP地址分为前后两个部分：网络号和主机号。网络号是标识一个主机或路由器所连接到的网络，一个网络号在整个互联网范围内必须是唯一的；主机号是标识一个主机或路由器本身，一个主机号在它前面的网络号所指明的网络范围内必须是唯一的。

有了网络号和主机号的概念之后，IP地址就可以被分成五类，谢希仁教授的教材上用一张图片把这五类地址很好的展现：

以A类地址为例，前面8位是网络号，其中最开头的一位固定是0，后面24位是主机号。8位网络号意味着一个A类地址的网络号范围是从00000000~01111111，也就是十进制的0~127，但是我们通常要把这个范围掐头去尾，变成1~126，这是实际可用的范围，因为规定了头和尾有特殊的用途。24位主机号意味着，一个A类地址的网络可以包含的最大主机数是（2^24）－2，减2的意义也是要掐头去尾，大概是可以包含一千六百多万台主机，适合大型网络分配。

以此类推，B类地址前后各16位分别是网络号和主机号，B类地址的网络号范围是128~191，可以包含的最大主机数是（2^16）－2，是65534台。C类地址的网络号范围是192~223，可以包含最大主机数是（2^8）－2，是254台，可以看出C类地址适合给小型局域网使用。

D类地址的网络号范围是224~239。D类地址专门用作组播，也叫多播，它是一种不同于单播和广播的数据发送方式，单播是一对一，广播是一对多，组播也是一对多，但不同的是，广播的一对多是发送给同一网络内的所有主机，而组播是发送给同一网络内指定的几台主机。

E类地址（网络号范围240~254），E类保留不用，是为以后预留，可最终还是要被IPv6取代。

本节的内容作为网络层的开篇，内容比较多，需要理解和记忆，尤其是几类IP地址的范围，是必须要牢固记住的，下一节我们学习会继续学习IP地址，介绍几种特殊的IP地址，以及IP地址与MAC地址之间的转换。

参考资料：谢希仁《计算机网络》第七版

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