Представление и структура адреса IPv4

Адрес IPv4 представляет собой 32-разрядное (4 байта) двоичное поле. Для удобства восприятия и запоминания этот адрес разделяют на 4 части по 8 бит (октеты), каждый октет переводят в десятичное число и при записи разделяют точками. Это представление адреса называется десятично-точечной нотацией. Преобразование IP-адреса из двоичного (бинарного) представления в десятичное показано на Рис. 6.5.

Рис. 1.4 Представление IPv4-адреса в бинарном и десятичном виде

Следует отметить, что максимальное значение октета равно 11111111 в двоичной системе счисления, что соответствует 255 в десятичной системе счисления, поэтому IP-адреса, в которых хотя бы один октет превышает максимальное значение, считаются недействительными.

Чтобы быстро в уме выполнить преобразование из двоичного вида в десятичный, полезно запомнить таблицу, приведенную ниже. Десятичное число легко вычисляется как сумма цифр, соответствующих ненулевым битам в октете (таблица 6.1).

Таблица 1.1. Преобразование из двоичного вида в десятичный

Двоичное значение октета	Значение битов октета	Десятичное значение октета
	128+64
	128+64+32
	128+64+32+16
	128+64+32+16+8
	128+64+32+16+8+4
	128+64+32+16+8+4+2
	128+64+32+16+8+4+2+1

Маршрутизация пакетов в сетях передачи данных возможна благодаря тому, что IP-адрес структурирован и состоит из двух логических частей: идентификатора сети (Net ID) – сетевая часть адреса и идентификатора узла (Host ID), который однозначно определяет устройство в сетевом сегменте. Такая структура IP-адреса представляет собой двухуровневую иерархическую модель и позволяет устройству при передаче данных в составную сеть указывать не только удаленную сеть, но и узел в этой сети.

Рис. 1.5 Структура адреса IPv4

Идентификатор сети определяет конкретную сеть или сегмент сети, в которой находится узел и используется для передачи данных на нужный сетевой интерфейс маршрутизатора.

После того как данные достигают нужной сети, они передаются уникальному узлу в соответствии с идентификатором узла. Все узлы, использующие один и тот же идентификатор сети, должны быть расположены в одной сети или подсети (логическом сегменте сети).

Классовая адресация IPv4

При разработке базовых стандартов и протоколов, положенных в основу будущей глобальной сети (Интернет), невозможно было представить, какое количество адресов потребуется для работы всех узлов сети. Размер адреса IPv4 был выбран длиной в 32 бита (при этом можно адресовать 232 = 4,3 млрд. устройств). Как показала практика, этой длины адреса для современной сети Интернет недостаточно. В связи с этим при использовании IPv4 очень важным вопросом является оптимизация выдаваемых адресов с точки зрения максимально эффективного использования адресного пространства IPv4.

Хронологически первым методом разделения IP-адресов является так называемая классовая модельIP-адресации, которая частично решила проблему нерационального использования адресного пространства. Согласно этой модели, все пространство IP-адресов делится на 5 классов в зависимости от значения первых четырех битов адреса IPv4. Классам присвоены имена от А до Е.

Первые 3 класса А, В и С используются для индивидуальной (unicast) адресации сетей и узлов, класс D – для многоадресной или групповой (multicast) рассылки, класс Е зарезервирован для экспериментов. Классы А, В и С имеют различную длину сетевой части адреса.

Для сетей класса А под идентификатор сети отводится 1 байт (первый октет), 3 оставшихся байта (3 октета) используются для идентификатора узла, причем старший (левый) бит идентификатора сети всегда равен 0.

Рис. 1.6 Формат адреса IPv4 класса А

Поскольку первый бит идентификатора сети всегда равен нулю, то оставшиеся 7 битов позволяют адресовать 128 (2⁷) различных сетей. Однако ввиду того, что адреса 0.0.0.0 и 127.0.0.0 являются специальными IPv4-адресами, количество доступных сетей класса А равно 126 (2⁷-2). В каждой сети класса А можно адресовать до 16 777 214 (2²⁴-2) узлов. Два адреса вычитаются вследствие того, что они используются в специальных целях и не могут быть назначены устройству (первый — адрес сети, последний — широковещательный адрес).

Сети класса В определяются значениями 10 в двух старших битах адреса. Первые 2 байта в адресе используются для идентификатора сети, оставшиеся 2 байта – для идентификатора узла. В результате количество доступных сетей класса В составляет 16 384 (2¹⁴) с количеством узлов в каждой сети равным 65 534 (2¹⁶-2).

Рис. 1.7 Формат адреса IPv4 класса В

Для сетей класса С под идентификатор сети отводится 3 байта в то время как под идентификатор узла только 1 байт. Три старших бита первого октета всегда равны 110, позволяя определить, что адрес относится именно к классу С. Таким образом, получаем 2 097 152 (2²¹) сетей, в каждой из которых находится 254 (2⁸-2) узла.

Рис. 1.8 Формат адреса IPv4 класса С

Сети класса D определяются значениями 1110 в первых четырех битах адреса, остальные биты используются для адресации многоадресной группы. Адресное пространство класса D зарезервировано для групповой рассылки и используется для адресации группы узлов. Идентификаторов сетей и узлов в IPv4-адресе класса D не выделяют.

Рис. 1.9 Формат адреса IPv4 класса D

Сети класса Е являются экспериментальными и в настоящее время не используются. Адреса в этом классе определяются значениями 1111 в первых четырех битах.

Рис. 1.10 Формат адреса IPv4 класса E