IP协议——网段划分

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 IP地址

        在根据TCP/IP协议进行通信时，要用IP地址来标识主机或路由器。在IPv4中，IP地址是一个32位的整数。所以最多可以表示的数字IP地址是：2^32（大约是43亿）。

        IP地址由网络号和主机号两部分来标识。处于不同网段内的主机必须有不同的网络标识。而处于同一网段内的主机的网络号表示相同，但主机号标识必须不同。所以，在某网段内新增一台主机后，该主机的网络号与该网段的网络号相同，但是主机号不能与该网段里的其他主机的主机号相同。

        通过合理设置网络号和主机号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都是唯一的。

        有一种DHCP技术，可以自动为网段内新增结点主机分配IP地址。一般的路由器都带有DHCP功能，因此路由器可以看做一个DHCP服务器。

         通过将IP地址划分为网络号和主机号来标识，可以有如下特点：

（1）IP地址管理机构在分配IP地址时只分配网络号。剩下的主机号由得到该网络号的单位自行分配，这样就方便了管理就够的管理；

（2）路由器在寻找目的主机的IP地址时，只需找到目的主机所在的局域网，再在该局域网内寻找目的主机。

（3）具有不同网络号的局域网必须有路由器进行连接，所以路由器总是有两个或两个以上网络号不同的IP地址

        那么该如何划分网络号和主机号呢？

IP地址分类

        IP地址可以分为五类：A~E类。各类别的网络号和主机号分别对应如下：

        各类地址的表示范围是：

A类：0.0.0.0~127.255.255.255

B类：128.0.0.0~191.255.255.255

C类：192.0.0.0~223.255.255.255

D类：224.0.0.0~239.255.255.255

E类：240.0.0.0~247.255.255.255

        A类地址的网络号占1个字节，只有7位可以使用。可以指派的A类网络号为126（2^7-2）个。A类IP地址中网络字段全0表示的是“本网络（A类网络）”的意思，不用于分配给具体的主机。IP地址中网络号全1表示的是本地环回地址，用于测试本主机的进程之间的通信，即网络号为127的IP地址。A类地址的主机号占3个字节，所以一个A类网络中可以连接的最大主机数为：2^24-2。主机号全0表示该主机连接的单个网络地址（某个A类网络），主机号全1表示该网络中的所有主机。

        B类地址的网络号占2个字节，只有14位可以使用。可以指派的B类网络号为2^14-1（128.0.0.0）不用，最小的网络号为：128.1.0.0。每一个B类网路可以连接的最大主机数为：2^16-2=65534。（扣除主机号全0和全1的IP地址）。

        C类地址的网络号占3个字节，只有21位可以使用。可以指派的C类网络号为2^21（192.0.0.0不用），最小的网络号为：192.0.1.0。每一个C类主机可以连接的最大主机数为：2^8-2=254（扣除主机号为全0和全1的IP地址）。

        在上述的分类中，存在以下问题：

（1）IP地址空间的利用率降低：一个B类网络中最多可以表示的IP地址为65534个，而某些种类网络由于链路的特点能够连接的结点个数有限，所以就会造成大量的IP地址浪费；由于C类网络能连接的结点个数有限。所以，单位会申请B类网络，但一般又用不了这么多的IP地址，所以会造成IP地址的浪费。同理，A类网络的IP地址也会造成大量的浪费；

（2）如果给每一个物理网络都分配一个网络号，就会导致路由表过大。此时就会造成路由表的管理成本增加，同时查询的效率也会增加。

（3）当一个单位申请了一个网络号。他想将该网络能表示的IP地址再分给它下属的几个小单位时。如果在申请新的网络就会造成浪费。

        为了解决上述的问题，引入子网划分的概念。

子网划分和子网掩码

子网划分

        子网划分实际是在将原A类，B类，C类网络中的主机号的部分作为子网号，将原来的ABC类网络细化的过程，将原来的一个网络分为多个网络，但是在对外表现上，还是表现为原来的一个网络。

        所以，此时，IP地址组成为：网络号+子网号+主机号。

        在数据进行通信的过程中，首先根据目的IP地址找到目标主机所在的网络（路由器），再根据目的IP地址的子网号找到目标主机所在的子网，最后找到目标主机。

        比如，一个B类IP地址为：192.168.0.0。先将该网络划分多个子网，假定子网号占用了8位。由于原B类网络中主机号一共占用了16位，子网络拿走8位之后，一个子网中的主机号所占的位数就变成了8位。假定其中一个子网为192.168.5.0。在数据通信时，目的主机为该子网中的IP地址为192.168.5.8的主机。因此，在数据传输过程中，首先会根据目的IP地址找到该主机所在的网络192.168.0.0（其实是找到该网络上的路由器），再通过IP地址找到目的主机所在的子网192.168.5.0。最后在该子网内找到目的主机。

        此时，可以将网络号和子网号统一为网络标识。

子网掩码

        当数据报到达目的主机所在网络的路由器时，如何将它转发到子网上呢？

        为了使目的主机所在网路的路由器能够很方便的找到目的子网，引入“子网掩码”的概念。子网掩码也是一个32位的整数，它是由一串1和一串0构成，1对应于目的主机所在的网络号和子网号，0对应于目的主机所在的主机号。对于没有划分子网的网络号，也有子网掩码，此时子网掩码中的1对应于网络号，0对应于主机号。将网络号和子网号统称为网络号后，子网掩码中的1就对应于网络号，0对应于主机号。

        将目的主机的IP地址与子网掩码进行按位与操作，便可以确定目的主机所在的网络号。

        如下图：

        此时，将目的主机IP与子网掩码按位与之后得到就是该目的主机所在的网络地址IP。在本例中，该子网的主机IP的表示范围是：145.13.3.0~145.13.3.255。能够连接的主机个数为254台（去除主机号为全0和全1的IP地址）。

        上述中，子网掩码与主机IP按位与之后得到网络地址，然后主机号由全0到全1即表示该子网的地址范围。

        子网掩码除了上述的表示方法外，还有一种表示方法：在每个IP地址之后追加网络地址的位数。如上例中：

145.13.3.10/24。表示的是IP地址为145.13.3.10的主机IP，子网掩码的高24位为全1。因此网络地址的高24位与该IP地址相同即145.13.3.0。

        所以，在路由表中既要有目的网络地址，也要有该网络的子网掩码。才能判断目的IP是否与目的网络地址对应。

特殊的IP地址

        与上述的ABC类相同，主机号为全0的表示“该网络”，主机号为全1的表示“所有主机”即广播地址。127.开头的为本机环回测试，一般为127.0.0.1。

CIDR

        由于A类的所能派发的网络号有限，而C类网络能连接的主机个数有相对较少，所以一般的单位在申请网络时，都会申请B类网络，这就导致了B类网络的严重缺乏。

        所以，开始放弃IP地址的分类，采用任意长度分割IP地址的网络标识和主机标识，它与ABC类的划分没有任何关系。称为CIDR。它可以不受IP地址分类的限制，自由进行分配。

        此时的IP地址可以表示为：网络号+主机号（这个网络号可以是任意长度的）。

        当申请到一个任意长度的网络号之后，也可以在网络内进行子网划分。所以对于任一个子网也对应一个子网掩码。使用方法与上述相同。

        CIDR更有效的利用了当前的IPv4地址，同时也减轻了路由器的负担。它可以将多个连续C类地址合并为一个网络（和你宝贵的个数以2,4,8，…呈现）。例如：将两个C类网络：192.168.224.0和192.168.225.0合并为一个网络。此时合并后的网络中可以连接的主机数增加到2^9-2=510台。在未合并之前，需要在路由表中占用两行来表示两个C类网络，合并后只需用一行就可以表示。