IP 地址演进：从 IPv4 分类到 CIDR 与 IPv6

IP 地址是网络通信的基础标识。IPv4 采用 32 位地址，面临资源枯竭；IPv6 以 128 位地址提供近乎无限的扩展空间。本文系统阐述 IPv4 的传统分类、CIDR 的优化机制及 IPv6 的核心架构。

一、IPv4 地址的传统分类

早期 IPv4 按首位特征划分为五类：

类型	地址范围	网络/主机位	用途
A 类	`1.0.0.0` ~ `126.255.255.255`	8/24 位	大型网络（1677 万主机）
B 类	`128.0.0.0` ~ `191.255.255.255`	16/16 位	中型网络（6.5 万主机）
C 类	`192.0.0.0` ~ `223.255.255.255`	24/8 位	小型网络（254 主机）
D 类	`224.0.0.0` ~ `239.255.255.255`	—	多播通信
E 类	`240.0.0.0` ~ `255.255.255.255`	—	保留实验

Note

127.0.0.0/8 为环回地址；10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16 为私有地址。

二、CIDR：解决地址浪费的核心机制

传统分类导致严重地址浪费（如 500 台主机需分配 B 类，浪费 6 万余地址）。无类别域间路由（CIDR, Classless Inter-Domain Routing） 引入前缀长度表示法，实现灵活分配。

1. 表示方法

格式：网络地址/前缀长度
示例：

192.168.1.0/24：前 24 位为网络号，等价于传统 C 类
10.10.0.0/16：B 类大小
172.16.0.0/12：覆盖全部 B 类私有地址

2. 子网划分与地址计算

/n 表示前 n 位为网络部分，剩余 (32−n) 位为主机部分。
可用主机数： $2^{(32 - n)} - 2$ （减去网络地址与广播地址）

CIDR	主机位数	可用主机数
/24	8	254
/23	9	510
/25	7	126
/30	2	2（常用于点对点链路）

3. 核心优势

✅ 高效利用地址：按需分配，避免浪费（如 500 台设备可用 /23）
✅ 支持 VLSM（可变长子网掩码）：同一网络内可划分子网
✅ 路由聚合：ISP 可将多个小网络聚合成大块（如 192.168.0.0/21 覆盖 8 个 /24），减少全球路由表条目

三、IPv6：下一代 IP 协议

为彻底解决 IPv4 枯竭问题，IPv6 采用 128 位地址，提供 $2^{128}$ 个地址（约 $3.4 \times 10^{38}$ ）。

1. 地址格式

128 位，8 组 16 位十六进制数，冒号分隔
示例：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
压缩规则：
- 前导零可省：2001:db8:85a3::8a2e:370:7334
- 连续全零组用 :: 表示（仅一次）

2. 主要地址类型

类型	前缀	用途
全球单播	`2000::/3`	公网可路由地址
唯一本地地址（ULA）	`fc00::/7`	私有网络通信
链路本地地址	`fe80::/10`	同链路通信，自动配置
组播	`ff00::/8`	一对多传输
任播	同单播格式	发往“最近”节点

3. 核心优势

更大地址空间，支持万物互联
原生支持自动配置（SLAAC）、IPSec 和扩展头
简化报头结构（固定 40 字节），提升转发效率

四、过渡机制与现状

IPv4 与 IPv6 长期共存，主要过渡技术包括：

双栈（Dual Stack）：设备同时运行 IPv4 和 IPv6
隧道（Tunneling）：IPv6 报文封装在 IPv4 中传输
NAT64/DNS64：IPv6 客户端访问 IPv4 服务

目前全球 IPv6 普及率超 40%，广泛应用于 5G、物联网、云计算和车载网络。

总结

传统分类法因僵化导致地址浪费，已被淘汰。
CIDR 实现灵活寻址与高效路由，是现代 IPv4 网络的基石。
IPv6 提供海量地址与先进特性，是未来网络的必然方向。

掌握从 IPv4 到 IPv6 的演进逻辑，是理解现代网络架构的关键。