有类与无类寻址

本文讨论了IPV4地址、有类寻址、无类寻址以及有类寻址与无类寻址的区别。

首先，让我们讨论IPV4地址。

IPV4地址

IP地址，也常被称为互联网地址，是TCP/IP协议栈IP层用于标识互联网上每个设备连接的唯一标识符。主机的IP地址是一个32位的值，用于唯一标识连接到Internet的主机或路由器。由于IP地址标识的是连接而不是主机或路由器本身（因为在设备移动到不同网络时，IP地址可能会改变），因此，它是对连接的定义。

IPv4地址是唯一的。每个地址都指定了与Internet的一个且仅一个连接。如果一台设备通过两个网络连接到Internet，则它有两个IPv4地址。由于每个希望连接到Internet的主机都必须使用IPv4寻址方案，因此IPv4地址被认为是通用的。

寻址中的层级结构

在所有需要进行路由的通信网络中，如电话和邮政网络，寻址系统都是分层的。

32位的IPv4地址也具有层级结构，但它被分为两部分。地址的第一部分称为网络前缀，用于定义网络；第二部分称为主机后缀（用于连接设备到Internet）。下图中展示了一个32位IPv4地址的网络前缀和主机后缀。网络前缀的长度是n位，主机后缀的长度是(32-n)位。

网络前缀的长度可以是可变的，也可以是固定的。IPv4网络标识最初是为了使用固定长度的网络前缀而设计的。这种过时的系统被称为有类寻址。一种新的寻址方法，称为无类寻址，使用可变长度的网络前缀。 在深入讨论无类寻址之前，我们将简要回顾一下有类寻址。

1. 有类寻址

IPv4地址最初具有固定长度的网络前缀，但为了支持小型和大型网络，创建了三种固定长度的网络前缀（n = 8、n = 16 和 n = 24）。整个地址空间被划分为五个类（A类、B类、C类、D类和E类），如下图所示。这种系统被称为有类寻址。尽管它已经过时，但有类寻址有助于理解无类寻址，后者将在后面的部分介绍。

A类 - 尽管网络长度为8位，但由于第一位（0）用于指示类别，因此我们只能使用七位作为网络标识符。这意味着全球范围内只有 2⁷ = 128 个网络可以拥有A类地址。

• 网络ID = 8位长，主机ID = 24位长
• 识别A类地址的方法
  • 在二进制中，第一位保留为0。
  • 在点分十进制表示法中，第一个八位字节的范围是 [0, 127]。
• A类连接总数 = 2³¹（2,147,483,648）
• A类网络中有 2⁷ - 2 = 126 个网络。
  • 总体上少了2个可用网络，因为 IP 地址 0.0.0.0 保留用于广播。IP 地址 127.0.0.1 保留用于测试软件时的回送地址。
  • 因此，第一个八位字节的范围变为 [1, 126]。
• A类中主机ID的总数 = 2²⁴ - 2 [16,777,214]
  • 由于保留了两个 IP 地址（主机 ID 位全为零或全为一），因此所有类中可以建立的主机数减少了 2。
  • 当所有主机 ID 位设置为 0 时，表示网络的网络 ID。
  • 当所有主机 ID 位设置为 1 时，表示广播地址。
• 需要非常大网络的组织，例如印度铁路，会使用A类。

B类 - 尽管B类网络的最初两位（二进制为10，或写作 (10)₂）用于指示类别，但由于B类的网络长度为16位，我们只能使用14位作为网络标识符。因此，全球范围内只有 2¹⁴ = 16,384 个网络能够使用B类地址。

• 网络ID长度 = 16位，主机ID长度 = 16位。
• 识别B类网络的方法
  • 在二进制表示法中，前两位保留为10。
  • 在点分十进制表示法中，第一个八位字节的范围是 [128, 191]。
• B类网络中的连接总数是 2³⁰ = 1,073,741,824。
• B类中可用的网络总数是 2¹⁴ = 16,384。
• B类中可以配置的主机总数 = 2¹⁶ - 2 = 65,534。
• 需要中等规模网络的组织通常会使用B类。

C类 - 所有以 (110)₂ 开头的地址都属于C类。C类网络长度为24位，但由于类别由三位定义，网络标识符只能是21位长。因此，全球有 2²¹ = 2,097,152 个网络能够使用C类地址。

• 网络ID长度和主机ID长度分别为24位和16位。
• 识别C类网络的方法
  • 在二进制表示法中，前三位保留为110，或 (110)₂。
  • 在点分十进制表示法中，第一个八位字节的范围是 [192, 223]。
• C类中的连接总数 = 2²⁹ = 536,870,912。
• C类中可用的网络总数 = 2²⁴ = 20,971,520。
• C类中每个网络可以配置的主机总数 = 2⁸ - 2 = 254。
• 需要小型到中型网络的组织通常会选择C类。

快速测验 - *在 IPv4 寻址格式中，最多可以使用 C 类地址的网络数量是 __________*

1. 2¹⁴
2. 2⁷
3. 2²¹
4. 2²⁴

答案. (c)

D类 - D类不存在网络前缀和主机后缀的概念。它用于多播地址。

• 不存在主机ID和网络ID的概念。
• 识别D类网络的方法
  • 在二进制表示法中，前四位保留为1110，或 (1110)₂。
  • 在点分十进制表示法中，第一个八位字节的范围是 [224, 239]。
• 可用的IP地址总数为 2²⁸ = 26,843,5456。
• 由于数据不针对特定主机，D类被保留用于多播，从而消除了从IP地址中提取主机地址的需求。

E类 - 所有以1111网络前缀开头的二进制地址都属于E类。E类与D类一样，既没有网络前缀也没有主机后缀，用作保留。

• 与D类一样，这里也不存在主机ID和网络ID的概念。
• 识别E类网络的方法
  • 在二进制表示法中，前四位保留为1111，或 (1111)。
  • 在点分十进制表示法中，第一个八位字节的范围是 [240, 255]。
• 可用的IP地址总数为 2²⁸ = 26,843,5456。
• E类被保留用于假设性或实验性用途。

2. 无类寻址

有类寻址的子网划分和超网划分技术并未完全解决地址耗尽的问题。随着互联网的扩展，人们意识到需要更大的地址空间作为长期解决方案。然而，扩大的地址空间意味着IP地址也需要更长，这需要改变IP数据包的语法。尽管已经开发了长期解决方案（称为IPv6），但仍然开发了短期解决方案，该方案使用相同的地址空间，但修改了地址的分配方式，为每个组织提供公平的份额。无类寻址是一种临时解决方案，但它仍然使用IPv4地址。 为了弥补地址耗尽，在地址分配中取消了类别的特权。

在无类寻址中，整个地址空间被划分为不同长度的块。地址的网络前缀用于指定块（网络）；其主机后缀用于指定节点（设备）。理论上，我们可以拥有2²⁰、2²¹、2²²...到 2³² 个地址的块。一个限制是地址块必须是2的幂。一个地址块可以分配给一个组织。下图显示了整个地址空间的非重叠块划分。

与有类寻址不同，无类寻址允许可变的网络前缀长度。网络前缀长度可以从0到32不等。网络前缀的长度与网络大小成反比。较小的网络具有较大的网络前缀；较大的网络具有较小的网络前缀。

我们必须强调，有类寻址的概念可以很容易地适应无类寻址。可以将A类地址视为网络前缀长度为8的无类地址。B类地址可以看作是网络前缀为16的无类地址，依此类推。换句话说，无类寻址是有类寻址的一个特例。

网络前缀长度 - 斜杠表示法

在无类寻址中，首先需要解决的问题是如何确定给定地址的网络前缀长度。我们必须单独提供网络前缀长度，因为它不是地址的属性。在这种情况下，我们将地址插入，后跟一个斜杠，然后是网络前缀长度n。斜杠表示法是这个记法的俗称，而无类域间路由（Classless Interdomain Routing），或CIDR（发音为“cider”）方法，是官方名称。因此，无类寻址中的地址可以表示为下图所示。

换句话说，在无类寻址中，我们还必须提供网络前缀长度，因为地址本身不能自动定义它所属的块或网络。

从地址中提取信息

对于块中的任何给定地址，我们通常希望知道三件事：块中的地址数、块的起始地址和块的结束地址。这三条信息，如图所示，很容易找到，因为我们已知网络前缀长度 n。

• 根据计算，该块总共有 N = 2^32-n 个地址。
• 为了确定第一个地址，保留最左边的 n 位，并将最右边的 (32 - n) 位全部设置为零。
• 为了确定最后一个地址，保留最左边的 n 位，并将最右边的 (32 - n) 位全部设置为 1。

例如 - 地址 167.199.170.82/27 是一个无类地址。以下是我们找到上述三条信息的位置。网络中总共有 2^32-n = 2⁵ = 32 个地址。

为了确定第一个地址，保留前 27 位，并将剩余位设为0。

通过保留前 27 位并将剩余位设置为 1，可以确定最后一个地址。

快速测验 - *在网络 200.10.11.144/27 中，该网络可分配给主机的最后一个IP地址的第四个八位字节（十进制）是 _____ （ GATE 2015，2分）*

答。

这里，最后一个八位字节的最大可能值为十进制的159。因此，可分配给主机的最后一个IP地址的第四个八位字节是二进制的10011110，即十进制的158。因此，问题的答案是158。

有类寻址与无类寻址的区别

1. 在分配IP地址时，有类寻址方法将IP地址分为五类。为了防止IP地址耗尽，使用了无类寻址。这是一种IP地址分配方法，最终将取代有类寻址。
2. 另一个区别是有类寻址和无类寻址的实用性。与有类寻址相比，无类寻址更加实用和有用。
3. 在有类寻址中，网络ID和主机ID根据类别进行调整。然而，在无类寻址中，网络ID和主机ID之间的区别并不存在。这为我们提供了区分两者的另一个角度。

结论

IP寻址包含两种类型：有类和无类。无类寻址提供了比有类寻址更有效的IP地址分配方法，这是两者之间的主要区别。简而言之，无类寻址可以防止有类寻址可能出现的IP地址耗尽问题。