学习计算机网络（三）——IP地址

一、IP协议（IPV4、IPV6）

表示形式（两种）：

点分十进制、二进制

地址被点分为4个部分，每个部分8位，总共32位。

A、B、C类地址都是单播地址 （一对一通信），D类地址用于多播（一对多通信），E类地址保留为以后使用。IP地址中的全0表示本网络，全1表示本地软件环回测试本主机进程之间的通信。

|---|------|-------------|--------|----------|
| | 首位 | 网络标识 | 主机标识 | 网络个数 |
| A | 0 | 高8位（0~127） | 低24位（） | 2^7 - 2 |
| B | 10 | 高16位（） | 低16位 | |
| C | 110 | 高24位 | 低8位 | |
| D | 1110 | 高32位 | | |
| E | 1111 | | | |

二、广播、多播

广播是向所有设备发送信息，而多播是向特定的一组设备发送信息。多播相比广播更具针对性和效率，能更好地适应一些特定的应用场景。

（1）广播（Broadcast）

广播是指将信息同时发送给网络中的所有设备。在网络中，广播地址通常用于在特定子网内实现一对所有的通信。

例如，在 IPv4 中，子网内的广播地址是该子网的最后一个地址。如果子网掩码是 255.255.255.0，IP 地址为 192.168.1.100 的主机所在子网的广播地址就是 192.168.1.255 。

广播优点：能够快速将信息传递给子网内的所有设备，但缺点是可能会造成网络带宽的浪费，特别是在大型网络中，如果大量使用广播可能会导致网络拥塞。

（2）多播（Multicast）

多播是将信息发送给一组特定的设备，这些设备被称为多播组。

多播优点：

可以有效地节省网络带宽，因为只有加入了特定多播组的设备才会接收和处理多播数据。

应用场景：

例如，在视频会议应用中，多个参与者可以组成一个多播组，服务器只需向该多播组发送一份数据，而不是分别向每个参与者发送单独的数据。

多播需要网络设备（如路由器）支持多播协议，如 IGMP（Internet Group Management Protocol，互联网组管理协议）来管理多播组成员的加入和离开。

三、子网掩码

子网掩码是一个 32 位的二进制数字，用于将 IP 地址划分成网络地址和主机地址两部分。

主要作用：

确定一个 IP 地址所属的网络范围。通过与 IP 地址进行逻辑与运算，可以得到网络地址。

例如，对于一个 IP 地址 192.168.1.50，子网掩码为 255.255.255.0，将它们进行逻辑与运算（逐位进行与操作）：

IP 地址：  11000000.10101000.00000001.00110010
子网掩码：11111111.11111111.11111111.00000000
结果（网络地址）：11000000.10101000.00000001.00000000  即 192.168.1.0

子网掩码的取值决定了网络的规模和子网的划分。常见的子网掩码有：

• 255.0.0.0 ：这表示一个 A 类网络，网络规模较大。
• 255.255.0.0 ：这是 B 类网络的子网掩码。
• 255.255.255.0 ：常用于 C 类网络。

子网掩码的合理设置可以提高网络的效率和安全性，便于网络的管理和资源分配。比如，一个公司可以根据部门或地理位置划分不同的子网，方便进行流量控制和访问权限管理。

假设一个公司有多个部门，销售部、研发部和财务部，通过设置不同的子网掩码，可以将它们划分在不同的子网中，实现不同的网络策略和安全控制。

四、路由机制

路由机制是指在计算机网络中，用于确定数据从源节点到目标节点传输路径的过程和方法。

主要作用：

确保数据能够高效、准确地在网络中传输，避免数据的丢失和混乱。

路由机制的工作原理步骤：

1. 路由发现：网络中的路由器通过各种协议（如 RIP、OSPF、BGP 等）获取网络拓扑信息，了解网络中各个节点和链路的连接情况。
2. 路由计算：根据获取的拓扑信息和路由算法（如最短路径算法、链路状态算法等），计算出到达不同目标网络的最佳路径。
3. 路由表维护：路由器将计算得到的最佳路径信息存储在路由表中，路由表包含了目标网络地址和对应的下一跳路由器或出站接口。
4. 数据转发：当接收到数据包时，路由器根据数据包的目标地址查找路由表，确定数据包的转发方向，将其发送到下一跳路由器或直接发送到目标节点。

例如，在一个简单的网络中，有三个路由器 R1、R2 和 R3，以及三个子网 A、B 和 C。R1 知道如何到达子网 A 和 B，R2 知道如何到达子网 B 和 C，R3 知道如何到达子网 A 和 C。当一个数据包从子网 A 要发送到子网 C 时，R1 接收到数据包后，根据其路由表，将数据包转发给 R3，R3 再将其转发到子网 C。

路由机制的优点：

• 提高网络的可靠性：当某条链路出现故障时，可以自动选择其他可用路径进行数据传输。
• 优化网络性能：选择最优路径可以减少数据传输的延迟和拥塞。

然而，路由机制也面临一些挑战，如路由环路的避免、网络拓扑变化时的快速收敛等。