网络层 | 网际协议IP(2)：划分子网与构成超网

1. 简介

在IP协议的发展历程中，IPv4地址经历了几个重要阶段：

1. 早期无分类IP地址
2. 分类网络（A/B/C类地址）
3. 划分子网（子网划分）
4. 无类别域间路由CIDR（构成超网）

本文将详细讲解划分子网和构成超网的技术原理及实现方法。

2. 划分子网

2.1 划分子网的背景

分类网络存在以下问题：

• 地址分配不灵活：企业通常选择申请更大的地址块（如B类而非C类）以防未来扩展，导致大量IP地址浪费
• 路由表负担重：每个网络都需要单独的路由表项

划分子网（RFC950）解决了这些问题：

• 将二级IP地址（网络号+主机号）变为三级IP地址（网络号+子网号+主机号）
• 提高IP地址资源利用率
• 减轻路由表负担

2.2 子网划分原理

关键概念：

• 划分子网后，IP地址结构变为：网络号 + 子网号 + 主机号
• IP地址总长度仍为32位，只是从主机号中借用若干位作为子网号
• 对外部网络而言，IP地址仍是二级结构（网络号不变）
• 对内部网络而言，IP地址是三级结构

示例：
原始B类地址：145.13.0.0（网络号16位，主机号16位）
划分子网后：

• 网络号：145.13（16位不变）
• 子网号：从主机号借用若干位（如6位）
• 主机号：剩余位数（10位）

2.3 子网掩码

子网掩码的作用：

• 标识IP地址中哪些位是网络号+子网号，哪些位是主机号
• 由连续的1（网络位）和连续的0（主机位）组成
• 采用点分十进制表示法（如255.255.255.0）

运算规则：

• 将IP地址与子网掩码进行逐位"与"运算，得到网络地址
• "与"运算规则：1&1=1，其他组合均为0

默认子网掩码：

• A类：255.0.0.0
• B类：255.255.0.0
• C类：255.255.255.0

示例计算：
IP地址：172.16.123.1（B类）
子网掩码：255.255.192.0（18位网络位）

计算过程：

IP地址：   10101100.00010000.01111011.00000001
子网掩码： 11111111.11111111.11000000.00000000
与运算结果：10101100.00010000.01000000.00000000 → 172.16.64.0

确定IP地址范围：
网络地址：172.16.64.0
可用地址范围：172.16.64.1 ~ 172.16.127.254
（主机位全0和全1通常不使用）

2.4 重要注意事项

1. 点分十进制表示法只是方便人类阅读，实际运算时应转换为二进制
2. 子网号和主机号可能跨越点分十进制的边界
3. 所有网络都必须使用子网掩码

3. 构成超网（CIDR）

3.1 CIDR的背景

随着互联网发展，分类网络和子网划分仍无法解决IP地址耗尽问题。无类别域间路由CIDR（RFC4632）应运而生，具有三大特点：

1. 无类（Classless）：取消A/B/C类地址划分
2. 前缀（Prefix）：灵活定义网络位长度
3. 地址块：将前缀相同的连续IP地址组成块

3.2 CIDR表示法

斜线记法：
格式：IP地址/前缀长度
示例：128.14.35.7/20

• IP地址：128.14.35.7
• 前缀长度：20位（网络位）
• 主机位：32-20=12位

地址块计算：
示例：128.14.35.7/20

1. 将主机位全部置0：128.14.32.0
2. 地址块：128.14.32.0/20
3. 可用地址范围：128.14.32.1 ~ 128.14.47.254

3.3 CIDR子网划分

虽然CIDR取消了传统子网概念，但仍可在内部划分逻辑子网：

1. 从主机位借用若干位延长前缀
2. 创建更小的地址块

示例：
原始地址块：128.14.32.0/20
划分4个子网：

1. 借用2位主机位，前缀变为22位
2. 四个子网：
   • 128.14.32.0/22
   • 128.14.36.0/22
   • 128.14.40.0/22
   • 128.14.44.0/22

3.4 CIDR的优势

1. 提高IP地址利用率
2. 支持路由聚合（减少路由表项）
3. 编址更加灵活

4. 总结对比

划分子网要点：

1. 二级IP变三级IP：网络号+子网号+主机号
2. 网络号不变，从主机号借用若干位作为子网号
3. 对外表现为二级IP，对内为三级IP
4. 依赖子网掩码确定网络地址
5. IP地址与子网掩码相与得到网络号

构成超网（CIDR）要点：

1. 无类编址，取消传统分类
2. 使用前缀表示网络位长度
3. 采用地址块和斜线记法
4. 支持路由聚合（超网）
5. 仍可在内部进行逻辑子网划分

5. 关键公式与计算

1. 子网数量计算：

   • 借用n位主机位：可创建2^n个子网

2. 每个子网主机数量：

   • 剩余m位主机位：每个子网可用主机数为2^m-2（全0和全1通常不用）

3. CIDR地址块范围计算：

   • 给定a.b.c.d/n：
     • 网络地址：将后(32-n)位置0
     • 广播地址：将后(32-n)位置1
     • 可用地址：网络地址+1 ~ 广播地址-1

通过掌握这些核心概念和计算方法，可以灵活地进行IP地址规划和网络设计。