#5 我们天天都接触的 IP 地址到底是什么东西？
计算机网络 IP 2016-08-02IP 地址
IP 就是一个编号，用 32 位二进制数表示，范围是 [0, 4294967295]。
为了阅读方便，IP 地址可以用点分十进制表示，也就是说，每八位用一个十进制数字表示，然后用小数点连接，比如 127.0.0.1。
那么，IP 的范围就可以表示为：0.0.0.0 ~ 255.255.255.255
总数：$2^{32} = 4294967296$ (约 43 亿)
分配机制
IP 的管理和分配是互联网号码分配局（Internet Assigned Numbers Authority，IANA）负责。
早期，IANA 是由美国南加州大学信息科学研究所（USC/ISI）依据美国国防部授权负责，后来移交给非盈利组织 ICANN。
由于互联网是从美国发展起来的，所以美国拿了大量可分配 IP 地址。
为了保证 IP 资源相对公平高效的分配，目前互联网的实际 IP 分配工作是在 IANA 的协调下，由五个区域互联网注册机构（Regional Internet Registry，RIR）负责：
- 美洲互联网号码注册管理机构（American Registry for Internet Numbers，ARIN）
管理北美、南极洲和部分加勒比地区事务 - 欧洲 IP 网络资源协调中心（RIPE Network Coordination Centre，RIPE NCC）
管理欧洲、中东和中亚地区事务 - 亚太网络信息中心（Asia-Pacific Network Information Centre，APNIC）
管理亚洲和太平洋地区事务 - 拉丁美洲及加勒比地区互联网地址注册管理机构（Latin American and Caribbean Internet Address Registry，LACNIC）
管理拉丁美洲和部分加勒比地区事务 - 非洲网络信息中心（African Network Information Centre，AfriNIC）
管理非洲事务
我国的网络地址就由 APNIC 分配。APNIC 总部之前在日本东京，后来由于成本问题，1998 年搬到了澳大利亚布里斯班。
非公网 IP（特殊用途地址）
最知名的 10/8, 172.16/12, 192.168/16 三个网段，我们在各种局域网中见到，完整的信息在负责网络地址分配的 IANA 那里可以拿到。
| 网段 | 数量 | 说明 |
|---|---|---|
0.0.0.0/8 |
$2^{24} = 16777216$ | 本地网络，其中 0.0.0.0 表示本机。 |
10.0.0.0/8 |
$2^{24} = 16777216$ | 私有 |
100.64.0.0/10 |
$2^{16} \times 64 = 4194304$ | 私有, (100.64 - 100.127)，ISP NAT |
127.0.0.0/8 |
$2^{24} = 16777216$ | 环回地址 |
169.254.0.0/16 |
$2^{16} = 65536$ | 链路本地地址（Link-local address） |
172.16.0.0/12 |
$2^{16} \times 16 = 1048576$ | 私有，(172.16 - 172.31) |
192.0.0.0/24 |
256 | IETF Protocol Assignments |
192.0.2.0/24 |
256 | TEST-NET-1 |
192.31.196.0/24 |
256 | - |
192.52.193.0/24 |
256 | - |
192.88.99.0/24 |
256 | IPv6 to IPv4 relay |
192.168.0.0/16 |
$2^{16} = 65536$ | 私有 |
192.175.48.0/24 |
256 | - |
198.18.0.0/15 |
$2^{16} \times 2 = 131072$ | 私有，(192.18 - 192.19) |
198.51.100.0/24 |
256 | - |
203.0.113.0/24 |
256 | MCAST-TEST-NET |
240.0.0.0/4 |
$2^{24} \times 16 = 268435456$ | (240 - 255)，保留 |
不知道上面为什么没有列出组播网段 224/4 (224 - 239), 和 240/4 网段一样，共 268435456 个地址。
$2^{32} - (16777216 \times 3 + 4194304 + 65536 \times 2 + 1048576 + 256 \times 8 + 131072 + 268435456 \times 2) = 3702257664$
2 ** 32 - 16777216 * 3 - 4194304 - 65536 * 2 - 1048576 - 256 * 8 - 131072 - 268435456 * 2
3702257664
3702257664 * 100 / (2 ** 32)
392519680 * 100 / (2 ** 32)
392519680 * 100 / 3702257664
所以，可分配地址大约 37 亿，占总 IP 地址数的 86.2%。
根据 全中国一共有多少 IP 地址？ 一文的计算（来自 APNIC 数据），中国（含港澳台）一共分配到 IP 地址大约 4 亿，占总 IP 数的 9.14，占可分配 IP 数的 10.6。
大陆 343881984
香港 12612096
澳门 336640
台湾 35688960
--------------
总计 392519680
网络分类
早期，可能包括我们的教科书，总是提到 A 类地址，B 类地址等概念。
标准的说法，叫做 Classful Addressing，分类地址，分级寻址，分类路由。
最早 IP 分配都是按照 IP 第一个字节分配，十分大方。但是最多只能分配 256 次。
眼看着网络发展壮大，接入的机构越来越多，这样下去 IP 地址根本就不够分。
所以想出了分级的概念，按照实际需求来分配 (RFC791, 1981)。
所有的 IP 按照前缀被分成 A, B, C, D, E 五类。
| Class | 前缀位 | 网络地址位数 | 剩余的位数 | 网络数 | 每个网络的主机数 |
|---|---|---|---|---|---|
| A 类地址 | 0 | 8 | 24 | 128 | 16,777,214 |
| B 类地址 | 10 | 16 | 16 | 16,384 | 65,534 |
| C 类地址 | 110 | 24 | 8 | 2,097,152 | 254 |
| D 类地址（群播） | 1110 | 未定义 | 未定义 | 未定义 | 未定义 |
| E 类地址（保留） | 1111 | 未定义 | 未定义 | 未定义 | 未定义 |
比如：
A 类：100.0.0.0/8 0110
B 类：160.0.0.0/16 1010
C 类：208.0.0.0/24 1101
地址的分配按 8 位，16 位，24 位，三种级别，也就是说每次分配可以选择 256、65536、16777214，三种 IP 数量，IP 不够分配问题暂时得到缓解。
后来，IP 地址还是不够分配，又改成了更加合理的无类别域间路由（Classless Inter-Domain Routine）方案，支持 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512...更多细粒度的选择。
到现在为止，又支撑了一些年，不过眼看着 IP 最后还是会耗尽。
IPv4 耗尽问题
为了推迟 IPv4 地址耗尽的问题，电信运营商早就不默认分配公网地址了。
给每户分配一个私有地址，层层 NAT，可能一个小区才一个公网 IP。
好处是再也不用怕 IP 用完。
坏处就是网络变得复杂（依赖中间的 NAT 服务），降低了可靠性。
而且，网络用户变得无法直接通信（P2P），被运营商卡了一道。
局域网 IP
RFC 1918 中定义了内网使用的地址。
10.0.0.0 - 10.255.255.255 (10/8 prefix)
172.16.0.0 - 172.31.255.255 (172.16/12 prefix)
192.168.0.0 - 192.168.255.255 (192.168/16 prefix)
参考资料与拓展阅读
- 维基百科(en)，IP address
- 维基百科(en)，Reserved IP addresses
- 维基百科(en)，List of assigned /8 IPv4 address blocks
- 维基百科(en)，IPv4 >> Special-use addresses
- 维基百科, 分类网络
- 维基百科, 无类别域间路由
- 华为, IP 知识百科
- 淘宝 IP 地址库，统计报表
- IPIP，IP 库数据详情
- 微信公众号，一口 Linux，IP 地址划分、子网掩码的作用、实际中 IP 地址规划
- RFC#1918 Address Allocation for Private Internets
