一文聊透 IP 地址的那些事

IP 地址,是一个大家都耳熟能详的名词。以生活举例,IP 在互联网中的作用就像是寄件时的收件人地址和寄件人地址,收件人地址让信件可以被正确送达,寄件人地址则让收到信的人可以回信。

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IP 地址作为每一个互联网设备都拥有的,独一无二的地址,其本质是 TCP/IP 协议族中网络层的协议,也是 TCP/IP 协议族的核心协议。自 1981 年 Jon Postel 在 RFC791 中定义了第一次定义了 IP,到现在 IP 已经是现今互联网技术的基础。目前的全球互联网所采用的协议族是 TCP/IP 协议族。而 IPv4 是互联网协议(Internet Protocol,IP)的第四版。

IP 地址的表示方式

IPv4 地址(下文统称 IP 地址)是一个 32 位的二进制数表示的地址。因此,除了全 0 地址用来表示一个无效的,未知的,或者不可用的目标外,IPv4 一共拥有 2^32-1 个地址。它通常都是如下的样子:

01111111000000000000000000000001

显而易见,直接展示完整 32 位的 IP 地址既不直观也不好记忆。所以为了方便使用,我们把这 32 位二进制数分成八位一组,称之为八位组(octet)。每个八位组书写时用点分十进制的格式标识。每个八位组取值为00000000~11111111(二进制数),使用十进制数表示则值为 0~255。这就让 IP 地址变成了下面的样子:

01111111 00000000 00000000 00000001

而因为二进制与十进制的转化非常简单,只需要用二进制数的每一位乘以 2 的 N 次方即可,这其中的 N 是相应的位,从低位到高位以 0 次方开始,将二进制是 1 的每位结果相加得到的就是相应的十进制数。

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把 32 位的二进制数的 IP 地址使用点分十进制来标识,除了全 0,这个范围是从 000.000.000.001 到 255.255.255.255。然后再进一步的优化,例如对于 000.000.000.001,每个八位组中,高位的 0 可以不用写出,即为 0.0.0.1。这一步步的最终让 IP 地址变成了现在我们最熟悉的样子,比如10.0.0.1、192.168.33.44 这类。顺带一提我们上面举例用的 IP 地址转换为点分十进制后,就是大名鼎鼎的本机回送地址,这个地址是筑基内部的 IP 地址,主要用于网络软件测试以及本地机进程间通信,无论什么程序,一旦使用回送地址发送数据,协议软件立即返回之,不进行任何网络传输。

127.0.0.1

IP 地址的结构

看到这里大家自然就会想到,除了本机地址,IP 还有其他地址吗?没想到吧,真的有。IP 地址可以划分为两个部分 :网络地址和主机地址。

  • 网络地址:表示主机所在的网络区域
  • 主机地址:主机在网络区域中的具体逻辑位置

如果我们把 IP 地址和电话号码做类比:电话号码 0571-81020204 中,0571 是区号,代表浙江杭州,类似于 IP 地址中的网络地址部分。81020204 是杭州市内某一个电话机的确切号码,这就类似于 IP 地址中的主机地址部分。

当 IP 数据包在网络中传递时,路由器只关心目的 IP 地址的网络地址部分,通过识别 IP 地址的网络部分,来为 IP 数据包进行路由操作。当数据包达到了目的的网段以后,才通过 IP 地址的主机部分查找具体的接收主机。

那么,对于 IP 地址来说,哪几位是网络部分,哪几位是主机部分呢?这就需要根据网络规模和实际需求来划分了。

IP 地址的分类

IP 在被设计时,将 IP 地址分成五个等级(Class A、B、C、D、E)。一般常用的是 A、B、C 这三种等级的 IP 地址,分别适用在大、中、小型网络。在申请 IP 地址时,会由负责管理 IP 地址的机构,依照申请者所需要的网络规模,赋予不同等级的 IP 地址。

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A、B、C类的网络部分和主机部分的长短各不相同,网络地址越短,对应的可分配的主机地址就会越多。

在A、B、C 类地址中,有一部分被用做了私有地址。私有地址又称为私网地址或假地址,是指不在互联网上使用的,仅在企业或组织内部局域网上使用的 IP 地址。与之对应的,可以在互联网上使用的 IP 地址称为公网地址或真地址。私有地址的存在让局域网中的主机不需要全部分配互联网的可用地址,从而节约有限的 IP 地址资源。

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IP 地址的未来

我们前面提到 IPv4 一共拥有 2^32-1 个地址。这个数量乍一眼看上去是很多的,但是考虑到现在每一个手机,每一台电脑,甚至每一个冰箱都会接入网络,都需要一个 IP 地址,那这个数量一下子就不够用了。

2011 年 2 月 3 日,全球 IP 地址分配机构 IANA(Internet Assigned Numbers Authority)就宣布其地址池中的 IPv4 地址分配完毕了。2011 年 4 月 15 日,亚太互联网络信息中心(APNIC)在 2012 年 9 月 14 日为欧洲网络信息中心(RIPE NCC)分配了最后一个 IPv4 区块,在 2014 年 6 月 10 日为拉丁美洲和加勒比海(LACNIC)分配了最后一个 IPv4 区块。2015 年 9 月 24 日为北美分配 IPv4 区块,2019 年 11 月 26 日,欧洲 RIPE NCC 终于耗尽了存储。

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没有了 IP 地址新的设备就无法接入互联网,为了解决这个问题我们开始拥抱 IPv6。IPv6 的地址数量是 IPv4 的 2 的 96 次方倍,不用再担心地址枯竭的问题。早在 1998 年我们就开始了对 IPv6 的相关实验研究,但有一个很严肃的问题摆在我们眼前。那就是 IPv6 和 IPv4 之间的互通需要专门的技术和设备。为了解决这个问题,加快推进部署和应用 IPv6。工信部指导基础电信企业完成了骨干网络、LTE 网络、城域网络 IPv6 升级改造,实现了全国 14 个骨干网直联点 IPv6 互联互通。

数据显示,截至 2021 年 12 月,我国 IPv6 活跃用户数已达 6.08 亿,约占中国网民的 60.11%。从流量来看,城域网 IPv6 总流量突破 44.77 Tbps,占全网总流量的 9.38%,LTE 核心网 IPv6 总流量超过 24.43 Tbps,占全网总流量的 35.15%。

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