Ipv4分类及子网划分

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传统的IPv4分类（A/B/C类）已经规定了默认的网络位长度（A类8位、B类16位、C类24位），而子网掩码最初就是基于这些分类设计的。但现代网络中，子网掩码的作用已经远远超出了分类的局限，主要通过子网划分 和 无类域间路由（CIDR） 实现了更灵活的地址分配。以下是详细解释：

1. 传统分类的局限性

在早期的IPv4设计中，地址被严格分为A/B/C/D/E类，每类有固定的网络位长度：

  • A类： 8位 网络位（如 10.0.0.0/8），支持大型网络。

  • B类： 16位 网络位（如 172.16.0.0/16），支持中型网络。

  • C类： 24位 网络位（如 192.168.1.0/24），支持小型网络。

问题：

地址浪费： 例如，一个公司需要500个IP，B类（6.5万主机）太大，C类（254主机）太小，只能分配B类，造成浪费。

缺乏灵活性： 无法根据实际需求调整网络位长度。

2. IPv4地址的结构

IPv4地址由32位二进制数组成，通常表示为4个十进制数（如 192.168.1.1）。其结构分为两部分：

  • 网络部分（Network ID）： 标识所属的网络。

  • 主机部分（Host ID）： 标识网络中的具体设备。

关键问题：如何区分网络部分和主机部分？ → 这就是子网掩码的作用。

3. 子网掩码的作用

  • 子网掩码是一个与IP地址长度相同的32位二进制数，由连续的 1（网络部分）和 0（主机部分）组成。

    • 例如：255.255.255.0（二进制 11111111.11111111.11111111.00000000）表示前24位是网络地址，后8位是主机地址。

  • 功能： 通过子网掩码，可以明确IP地址中哪些位属于网络，哪些位属于主机。

4. 子网划分

子网划分是通过借用主机部分的位数来创建更小的子网络，从而将一个大的IP地址段划分为多个逻辑子网。

示例：

  • 原始网络： 192.168.1.0/24（掩码 255.255.255.0，支持254个主机）。

  • 划分子网： 借用1位主机位，变为 /25（掩码 255.255.255.128），得到两个子网：

    • 192.168.1.0/25（主机范围：1~126）

      第 25 位（第4字节的最高位）：在 /25 划分中，第 25 位是网络位，必须为 0（因为这是第一个子网）。 所以第 4 字节的二进制形式：00000000（前1位固定为 0，后7位主机位全 0（网络地址的定义））。换算成十进制：00000000 = 0 → 因此网络地址是 192.168.1.0。

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      计算公式：网络地址 = (IP地址) & (子网掩码)

      IP地址:   11000000.10101000.00000001.00000000
      子网掩码: 11111111.11111111.11111111.10000000
      AND结果:  11000000.10101000.00000001.00000000

      转换为十进制网络地址：192.168.1.0
      子网为1的位按位与肯定不变，所以前24和IP地址一致

    • 192.168.1.128/25（主机范围：129~254）

      关键点：第25位（第4字节的最高位）必须为 1，表示这是第二个子网。 步骤1：确定第4字节的二进制形式子网2 的第25位 = 1（因为是第二个子网）主机位全0（网络地址的定义）所以第4字节的二进制：1 0000000 （第25位=1，后7位主机位=0） 二进制：10000000 十进制：128

      步骤2：组合成完整的IP地址 前3个字节不变（192.168.1） 第4字节 = 128 所以网络地址：192.168.1.128

为什么 /25 能划分出 2 个子网？ 关键原因：因为借用了 1 位主机位 作为子网位，而 2^1 = 2，所以能划分出 2 个子网。借出的主机位可用是0也可以是1。

优点：

  • 减少广播域大小，提升网络性能。

  • 提高IP地址利用率（避免浪费）。

  • 增强安全性（隔离不同子网）。

5. 子网与网络地址的关系

  • 网络地址是子网中所有主机位为 0 的地址（如 192.168.1.0/24），标识整个子网。

  • 广播地址是子网中所有主机位为 1 的地址（如 192.168.1.255/24），用于向子网内所有设备发送数据。

  • 有效主机地址是介于网络地址和广播地址之间的IP（如 192.168.1.1~192.168.1.254）。

6. 无子网划分的默认情况

如果未划分子网，IPv4地址根据 分类（A/B/C类） 默认使用以下掩码：

  • A类： 255.0.0.0（/8）

  • B类： 255.255.0.0（/16）

  • C类： 255.255.255.0（/24）

但现代网络普遍采用 无类编址（CIDR），掩码可以灵活指定（如 /26、/28 等）。

7. 实际应用示例

问题： 给定IP 172.16.10.5/22，求其网络地址、广播地址和可用主机范围？

解答：

掩码 /22 = 255.255.252.0（前22位为网络部分）。

7.1 计算网络地址

将IP和掩码转换为二进制，按位与运算：

IP: 172.16.00001010.00000101
掩码: 255.255.11111100.00000000
结果: 172.16.00001000.00000000 → 172.16.8.0
网络地址：172.16.8.0。

7.2 广播地址

主机位全置 1 172.16.00001011.11111111 → 172.16.11.255。

7.3 可用主机范围

172.16.8.1 ~ 172.16.11.254。