本节书摘来自异步社区《Cisco IPv6网络实现技术（修订版）》一书中的第1章，第1.2节，作者【加】Régis Desmeules，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看
1.2 IPv4地址空间
Cisco IPv6网络实现技术（修订版）
IPv4基于32比特地址方案，理论上能够使整个Internet上有40多亿台主机（准确地说是4 294 967 296）。然而，这个32比特方案最初被分为5个层次的类别，由Internet地址授权委员会（IANA）管理。前3个类（A、B和C）被用来作为全球唯一单播IP地址，这些类以固定的前缀长度分配给请求者。前缀长度是由不同的网络掩码标识的。网络掩码是一连串被预设为1的比特，用来“掩盖”IP地址的网络部分。
表1-1显示了IPv4地址的5个类别及其关联的范围和网络掩码。
IANA是一个组织，专注于Internet的中央协调。IANA负责为协议分配协议号和给区域Internet注册机构和大的网络提供商分配IP地址块。可以在www.iana.org上获得更多关于IANA的信息。
在北美洲这个Internet早期被采用的地方，特别是在20世纪80年代，几乎所有的大学和大的公司都得到了A类或B类地址，即使他们只有少量计算机。今天，这些机构在分配给他们的地址块中仍然还有没被使用的IPv4地址，但是他们不会重新分配这些地址给其他机构。此外，在20世纪80年代得到IPv4地址的许多机构和公司已不存在。例如，Digital被Compaq收购，Compaq被Hewlett-Packard收购。Digital和Hewlett-Packard各自都拥有一块A类地址。
未用地址的重新分配是Internet的一个非常重要的问题。理论上，可以有一个拥有42亿表项的全球Internet路由选择表。但是在现实中，这意味着可扩展性、性能和大型网络运营商的管理问题。怎么可能在几毫秒之内使一个拥有42亿表项的数据库聚合呢？简单地把从B类地址产生的成千上万个C类地址加入到全球Internet路由选择表中就意味着使现有的路由选择表规模加倍。
在已分配的IPv4地址块中未被使用的IPv4地址数是非常大的。
而且，地址方案中其他大的部分没有用来给设备分配唯一地址。这降低了实际可作为全球唯一单播IP地址的IPv4地址的百分比。例如，D类和E类地址为多播和试验目的保留。网络0.0.0.0/8、127.0.0.0/8和255.0.0.0/8被保留用于协议操作。10.0.0.0/8、169.254.0.0/16、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16和192.0.2.0/24被私有网络专用（在RFC 1918中定义）。实际上，所有已分配的A类和B类、未用的地址空间和预留的IP地址的总和已经迫使区域Internet注册机构和ISP开始限制地址的分配和分发。仅有小块IPv4地址被分配给组织，这通常意味着IP地址比主机少。
注：3个区域Internet注册机构负责为提供商和组织分配成块的IP地址。美国Internet地址注册机构（ARIN）为北美洲、中美洲和南美洲服务。RIPE NCC（Réseaux IP Européens Network Coordination Center）负责欧洲和非洲。亚太网络信息中心（APNIC）负责亚洲的IP地址分配。所有这3个注册机构都提供申请IP地址空间的指导。可以从www.arin.net、www.ripe.net和www.apnic.net上得到更多关于这些注册机构的信息。
IPv4的32比特地址空间与任何其他的编址方案一样不是最优的，如电话编号系统。Christian Huitema提出了一个对数比例来比较使用效率，这个对数比例也应用于其他的地址空间，例如电话号码。
每一个编址计划都有若干层次，层次间具有边界。然而，随着时间的推移，这个层次结构可能因为发展和移动性的需求而改变。那么，当分配超出范围时，就需要进行非常痛苦和耗资巨大的重新编号工作。在北美洲，由于新电话服务的增长，自20世纪90年代就开始了对电话区域代码的重新编号。
在层次结构的每个层次都会损失掉一些效率。当数个层次结构同处于一个编址方案时效率的损失就更加巨大。这对总体的效率有数倍的影响。
IPv4不比其他的编址方案更糟或更好。类别层次机构（A、B、C、D和E）使地址空间的效率较低。在类别层次结构中，地址层次结构中的高有效比特被分配给提供商，低有效比特被站点和子网使用。RFC 3194，“地址分配效率的主机密度比：主机密度比更新版”（The Host-Density Ratio for Address Assignment Efficiency: An update on the HD ratio），提供了关于HD比率和IPv4地址方案的详细信息。
HD比率是一个百分比，用来标识由一个特定的效率带来的付出水平。一个低于80％的比率是可管理的，但是一个高于87％的比率是难以维持的。RFC 3194中指出，当2.4亿全球唯一单播IP地址都在Internet上使用时，IPv4的32比特地址空间将会达到最大的付出水平。
1.2.1 当前IANA的IP地址空间分配
图1-1显示了2002年9月IANA的IP地址空间分配。占总IPv4地址空间12％的D类和E类地址不能作为全球唯一单播地址。有2％是不能使用的地址，包括0.0.0.0/8、127.0.0.0/8、255. 0.0.0/8和私有地址空间。图中最大的一块（58%）代表已分配给组织机构和区域Internet注册机构（如ARIN、APNIC和RIPE）的地址空间，这意味着还有28％的剩余IPv4地址空间没有被分配。
来源：从IANA发布的关于IPv4地址空间分配的信息计算而来
1.2.2 Internet的未来增长
当前的形势表明未来获得地址会更加困难，因为它们已经变成一种稀有资源，而Internet在全球范围内仍在不断增长。这个问题在一些地方是明显的，但不是在北美洲。在北美洲，75％的IPv4地址分配给了少于世界总数10％的人口。
而且，临时的和半永久的连接（如拨号）正在被像cable-modem/xDSL这样的连接所取代。这就要求每一个节点都有一个永久IP地址，而不是一个用于一群PPP用户的临时地址。每IP地址的用户比率从m:1（m>1）变为1:1。无线网络正在市场上出现，802.11b设备和移动网络到处布设。然而，在移动过程中无线设备频繁改变物理位置、接入点和逻辑子网，这就意味着这些设备需要附加的地址池。
一些ISP将要用光其IP地址，因此，他们必须通过NAT为他们的用户分配私有地址。新的大型网络不能从区域Internet注册机构或ISP那里得到IPv4地址。新技术，如PDA、无线设备、蜂窝电话、VoIP和基于IP应用的视频会议需要全球唯一单播IP地址。而且，当前这代PC和操作系统允许人们为他们的个人数据拥有自己的万维网服务器，这也需要在家乡网络上分配永久IP地址。
