IP地址和子網掩碼的基礎知識

基於IP協議的因特網，目前已經發展成爲當今世界上規模最大、擁有用戶最多、資源最廣泛的通信網絡。IP協議也因此成爲事實上的業界標準，以IP協議爲基礎的網絡已經成爲通信網絡的主流。   
　　本文將結合筆者的實踐經驗和思科網絡技術學院CCNA課程的教學經驗，就IP協議關於IP地址這部分內容，進行簡要的闡述。   
　　一、爲什麼要使用IP地址？   
　　一個IP地址是用來標識網絡中的一個通信實體，比如一臺主機，或者是路由器的某一個端口。而在基於IP協議網絡中傳輸的數據包，也都必須使用IP地址來進行標識，如同我們寫一封信，要標明收信人的通信地址和發信人的地址，而郵政工作人員則通過該地址來決定郵件的去向。   
　　同樣的過程也發生在計算機網絡裏，每個被傳輸的數據包也要包括的一個源IP地址和一個目的IP地址，當該數據包在網絡中進行傳輸時，這兩個地址要保持不變，以確保網絡設備總是能根據確定的IP地址，將數據包從源通信實體送往指定的目的通信實體。   
　　目前，IP地址使用32位二進制地址格式，爲方便記憶，通常使用以點號劃分的十進制來表示，如：202.112.14.1。   
　　一個IP地址主要由兩部分組成：一部分是用於標識該地址所從屬的網絡號；另一部分用於指明該網絡上某個特定主機的主機號。   
　　爲了給不同規模的網絡提供必要的靈活性，IP地址的設計者將IP地址空間劃分爲五個不同的地址類別，如下表所示，其中A,B,C三類最爲常用：   
A類 0－127 0 8位 24位   
B類 128－191 10 16位 16位   
C類 192－223 110 24位 8位   
D類 224－239 1110 組播地址   
E類 240－255 1111 保留試驗使用   
　　網絡號由因特網權力機構分配，目的是爲了保證網絡地址的全球唯一性。主機地址由各個網絡的管理員統一分配。因此，網絡地址的唯一性與網絡內主機地址的唯一性確保了IP地址的全球唯一性。   
　　二、劃分子網   
　　爲了提高IP地址的使用效率，可將一個網絡劃分爲子網：採用借位的方式，從主機位最高位開始借位變爲新的子網位，所剩餘的部分則仍爲主機位。這使得IP地址的結構分爲三部分：網絡位、子網位和主機位。  

　　引入子網概念後，網絡位加上子網位才能全局唯一地標識一個網絡。把所有的網絡位用1來標識，主機位用0來標識，就得到了子網掩碼。如下圖所示的子網掩碼轉換爲十進制之後爲：255.255.255.224   


　　子網編址使得IP地址具有一定的內部層次結構，這種層次結構便於IP地址分配和管理。   
　　它的使用關鍵在於選擇合適的層次結構--如何既能適應各種現實的物理網絡規模，又能充分地利用IP地址空間（即：從何處分隔子網號和主機號）。   

　　小竅門--子網的計算   
　　在思科網絡技術學院CCNA教學和考試當中，不少同學在進行IP地址規劃時總是很頭疼子網和掩碼的計算。現在給大家一個小竅門，可以順利的解決這個問題。  
首先，我們看一個CCNA考試中常見的題型：一個主機的IP地址是202.112.14.137，掩碼是255.255.255.224，要求計算這個主機所在網絡的網絡地址和廣播地址。
常規辦法是把這個主機地址和子網掩碼都換算成二進制數，兩者進行邏輯與運算後即可得到網絡地址。其實大家只要仔細想想，可以得到另一個方法：255.255.255.224的掩碼所容納的IP地址有256－224＝32個（包括網絡地址和廣播地址），那麼具有這種掩碼的網絡地址一定是32的倍數。而網絡地址是子網IP地址的開始，廣播地址是結束，可使用的主機地址在這個範圍內，因此略小於137而又是32的倍數的只有128，所以得出網絡地址是202.112.14.128。而廣播地址就是下一個網絡的網絡地址減1。而下一個32的倍數是160，因此可以得到廣播地址爲202.112.14.159。可參照下圖來理解本例：  

　　CCNA考試中，還有一種題型，要你根據每個網絡的主機數量進行子網地址的規劃和計算子網掩碼。這也可按上述原則進行計算。比如一個子網有10臺主機，那麼對於這個子網就需要10＋1＋1＋1＝13個IP地址。（注意加的第一個1是指這個網絡連接時所需的網關地址，接着的兩個1分別是指網絡地址和廣播地址。）13小於16（16等於2的4次方），所以主機位爲4位。而256－16＝240，所以該子網掩碼爲255.255.255.240。   
　　如果一個子網有14臺主機，不少同學常犯的錯誤是：依然分配具有16個地址空間的子網，而忘記了給網關分配地址。這樣就錯誤了，因爲14＋1＋1＋1＝17 ，大於16，所以我們只能分配具有32個地址（32等於2的5次方）空間的子網。這時子網掩碼爲：255.255.255.224。   
　　三、 IP 地址的侷限性   
　　最初的因特網設計者沒有預想到網絡會有如此快速地發展，因此現在網絡面臨的問題都可以追溯到因特網發展的早期決策上，IP地址的分配更能體現這點。   
　　目前使用的IPv4地址使用32位的地址，即在IPv4的地址空間中有232（4,294,967,296，約爲43億）個地址可用。這樣的地址空間在因特網早期看來幾乎是無限的，於是便將IP地址根據申請而按類別分配給某個組織或公司，而很少考慮是否真的需要這麼多個地址空間，沒有考慮到IPv4地址空間最終會被用盡。  
因此，IPv4地址是按照網絡的大小（所使用的IP地址數）來分類的，它的編址方案使用"類"的概念。A、B、C三類IP地址的定義很容易理解，也很容易劃分，但是在實際網絡規劃中，它們並不利於有效地分配有限的地址空間。對於A、B類地址，很少有這麼大規模的公司能夠使用，而C類地址所容納的主機數又相對太少。所以有類別的IP地址並不利於有效地分配有限的地址空間，不適用於網絡規劃。   
　　在這種情況下，人們開始致力於下一代因特網協議--IPv6的研究。由於現在IPv6的協議並不完善和成熟，需要長期的試驗驗證，因此，IPv4到IPv6的完全過渡將是一個比較長的過程，在過渡期間我們仍然需要在IPv4上實現網絡間的互連。而在90年代初期引入了變長子網掩碼（VLSM）和無類域間路由（CIDR）等機制，作爲目前過渡時期提高IPv4地址空間使用效率的短期解決方案起到了很大的作用。