網際協議IP（2）

01 簡介

在《網絡層 | 網際協議IP（1）》中，我們講了IPv4地址的格式、分類、特殊IP地址和私有地址，今天我們來講一講劃分子網和構成超網。

之前也提到過，早期的IP地址是沒有分類的。但隨著IP地址資源枯竭問題的產生，後來出現了分類網絡，劃分子網，無類別域間路由（CIDR）（超網）。

02 劃分子網

分類網絡雖然緩解了IP地址資源消耗的速度，但還是存在不合理的地方。

以一個企業為例。如果申請一個C段，最多可分配2^8-2=254個地址；如果申請一個B段，最多可分配2^16-2=65534個地址。在兩者的選擇中，他們通常是選擇申請B類地址，以應對後續企業的發展，這就造成了IP地址的浪費。因此，很有必要提高IP地址資源的利用率。

在提出劃分子網這個概念的時候，那時候其實還沒有分類網絡。劃分子網，將二級IP變成三級IP，更加靈活，減輕路由表負擔；而且可以將一個網絡劃分為多個子網，而不用去獲取一組網絡，這樣能夠很好地滿足組織內部需求，詳情可查閱RFC950。

在劃分子網之前，IP地址=網絡號+主機號；劃分子網後，IP地址=網絡號+子網號+主機號。

注意，無論是否劃分子網，IP地址都是32位二進制數，並不是說劃分子網後，IP地址就變成了32位以上的二進制數。劃分子網後，網絡號是不變的，只是從主機號中借用若干位作為子網號而已。

另外，子網是相對組織內部而言的。對外部來說，IP“網絡號”=網絡號。

如上圖，從外部來看，所有設備的網絡號都是145.13.0.0。而當數據到達組織內部的時候，IP”網絡號“=網絡號+子網號。

這裡要說的是，IP協議傳輸數據是通過IP數據報（後續會講），但IP數據報和IP地址裡並沒有任何關於子網的信息。

那麼當數據到達組織內部時，如何知道該將數據發往哪個子網呢？這個時候就要藉助子網掩碼了。

子網掩碼和IP地址一樣，也是32位二進制數，也採用“點分十進制”記法，但子網掩碼通常是由連續的1和0組成。1用來標記網絡位，0用來標記主機位。

另外，互聯網標準規定所有網絡都要使用子網掩碼。這樣做有什麼好處？不管網絡有沒有劃分子網，只要把子網掩碼和IP地址進行逐位的“與”運算就可以得出網絡地址。

如果沒有劃分子網，則使用默認子網掩碼。

如果劃分了子網，則將網絡號+子網號對應的位掩碼置1，主機號對應的位掩碼依然為0。

下面我們舉個實例，來加深大家的理解。172.16.123.1是一個B類地址，未劃分子網時網絡號和主機號各16位，默認子網掩碼為255.255.0.0。

如上圖，我將位掩碼設置為18位，也就是說有18-16=2位子網號位，那麼子網掩碼應該是由18個連續的1和14個連續的0組成。

然後我們把IP地址和子網掩碼逐位“與”運算，我們就得出了該IP地址的網絡地址為172.16.64.0。

“與”運算大家應該都學過吧，和小學的算術一樣，將每一位對齊。只有兩個1相“與”，結果才為1；兩個數中有任何一個數為0，那麼結果都為0。

得出了網絡地址，那我們就很容易得出在172.16.64.0這個子網中可用的IP地址範圍：172.16.64.1~172.16.127.254。

怎麼得出來的？相信大家看了之前的《網絡層 | 網際協議IP（1）》應該都能明白。如果還是不明白，那隻能怪我講的不清晰：主機號全0和全1我們一般都不使用。

另外大家有沒有發現，截圖中最大IP的第三個8位，兩位子網號和六位主機號一同被轉換為十進制的127了，所以大家不要以為點分十進制的每位數就是代表網絡號或主機號。比如什麼172.16.0.0是網絡號，0.0.127.254是主機號；或者172.16.127.0是網絡號，0.0.0.254是主機號。

點分十進制只是為了讓我們人類方便查看和記憶而已，因此大家不要有：“欸，怎麼把子網號和主機號合併成八位轉換成十進制了呢？“這種想法；IP地址其實質是一個32位二進制數，要得出網絡號和主機號，依賴於子網掩碼。

03 構成超網

分類網絡和劃分子網等技術雖然緩解了IP地址資源消耗的速度，但依然沒辦法阻止IP地址資源的耗盡。因此，為了進一步提高IP地址的利用率，IETF研究出了無類別域間路由（CIDR）。詳情可查閱RFC4632。

CIDR主要有三個特點：無類、前綴、地址塊。

CIDR是基於可變長子網掩碼的無類別編址方法，沒有了ABC類地址，以及在主機號中借用若干位做為子網號的概念，所有IP地址都是無類別的。

CIDR將32位的IP地址分為前後兩部分，前部分稱為前綴，指明將32位IP地址中的哪些位解釋為網絡號，哪些位用於對內部的各個終端進行編號。IP=前綴+主機號，IP地址的網絡號不再限定為8位、16位以及24位，更加靈活。

CIDR將前綴相同的連續的IP地址組成地址塊，並採用“斜線記法”來表示IP地址，也稱為CIDR記法。

“斜線記法”在“點分十進制”的IP地址後跟上一條斜線“/”，然後在斜線後寫上前綴所佔的位數。

128.14.35.7/20

如上所示，就是“斜線記法”。我們不僅能簡單的識別出IP地址為128.14.35.7，網絡前綴為20位（也就是網絡號有20位），還可以計算出該IP屬於哪個CIDR地址塊，該CIDR地址塊的IP地址範圍。

把主機位全部置0，即可得出IP屬於128.14.32.0/20這個地址塊，同時可用的地址範圍為128.14.32.1~128.14.47.254。

另外，CIDR沒有了劃分子網這個概念，是指沒有在主機位中再借用若干位作為子網號而已，使用CIDR地址塊的單位依然可以在內部劃分出子網。具體的做法是，在主機位中借用若干位，延長前綴的位數，IP還是=前綴+主機號。

比如在128.14.32.0/20這個地址塊中劃分4個子網，那麼我們需要在主機號中借用兩位，將前綴延長到22位，這樣128.14.32.0/20這個地址塊就有了以下四個子網：

CIDR不僅提高了IP地址的利用率，同時實現了路由聚合，因為也被稱為“構成超網”，路由的知識我會在後面介紹，這裡我們只專注於IP地址的發展歷程。

04 總結

劃分子網：
 1、二級IP變三級IP：網絡號+子網號+主機號
 2、網絡號不變，從主機號中借用若干位做為子網號，主機號減少相同的位數 

 3、子網相對於內部而言，對外依然是二級IP，對內才是三級IP
 4、根據子網掩碼來判斷該將數據發送到哪個子網
 5、子網掩碼與IP地址相與即可得出IP地址的網絡號
構成超網：
 1、無類、前綴、地址塊
 2、斜線記法