【IPv4】CIDR 无类别域间路由 | CIDR 的 IP 地址划分
IPv4 CIDR 无类别域间路由下的 IP 地址划分
文章目录
- IPv4 CIDR 无类别域间路由下的 IP 地址划分
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- 一. 什么是无类别域间路由（CIDR）
- 二. CIDR 的网络划分
- 三. CIDR 练习题
- 参考文献
- 其他相关文章
提示
在阅读本文章前，建议先阅读目录中所指的其它相关文章。若读者对于 IPv4 的相关知识比较熟悉可以直接阅读本文。
一. 什么是无类别域间路由（CIDR）
无类别域间路由（Classless Inter-Domain Routing、CIDR）是一个用于给用户分配IP地址以及在互联网上有效地路由IP数据包的对IP地址进行归类的方法。引用自百度百科
CIDR 的出现是为了替代颇具诟病的分类编址。在 CIDR 被采用之前， IP 地址的网络部分被限制为长度为 8、16 或 24 比特，这是一种被称为分类编址（classful addressing）的编址方案[1]。也就是将 IP 地址划分为 A、B、C、D、E 类的编址方案。
随着互联网的快速发展，分类编址方案出现了一些问题，例如扩展性差，存在地址浪费。为解决这些问题，且考虑到从 IPv4 到 IPv6 的过度。互联网工程工作小组在 1993 年发布了一新系列的标准—— RFC 1518 和 RFC 1519 ——以定义新的分配 IP 地址块和路由 IPv4 数据包的方法，也就是 无类别域间路由 CIDR 。
二. CIDR 的网络划分
在分类编址方案中，除了以固定大小位数的网络号将网络划分为 ABCDE 类，还有一个重要的划分网络手段就是通过子网掩码对 ABCDE 类 IP 再进行划分。而 CIDR 方案就是从该角度入手。接下来从一个案例出发，理解分类编址如何过渡到 CIDR 编址。
| 编址方案 | IP 地址 | 子网表示 | 完整表示 |
|---|---|---|---|
| 分类编址 | 202.119.100.202 | 255.255.255.240 | 202.119.100.202 255.255.255.240 |
| CIDR 编址 | /28 | 202.119.100.202/28 |
上表展示了对于一个 IP 地址的两种编址表示的区别。使用分类编址时，需要原 IP 地址与子网掩码配套使用，而 CIDR 编址则直接在 IP 地址后跟上了一个 “/24” 的前缀，该前缀表示的也正是子网掩码。CIDR 编址所做的，其实就是将子网掩码的位数作为前缀，添加在原 IP 地址的后面。（我也觉得很奇怪为什么这玩意叫前缀，不应该叫后缀吗）
子网掩码 255.255.255.240 化为二进制表示法时，前 28 位都为1（转换方式可参考文章），因此在 CIDR 编址时前缀的数字是 28，最终表示形式为 192.168.1.102/28。
我们继续关注 CIDR 编址与分类编址的区别。在 192.168.1.102/28 中 28 直接表示子网掩码为 28 位，则该 IP 的划分情况如下。
| CIDR 编址 | 分类编址 | |
|---|---|---|
| 十进制点分表示 | 202.119.100.202/28 | 202.119.100.202 255.255.255.240 |
| 二进制表示 | 1100 0000 1010 1000 0000 0001 0110 0110 | 1100 0000 1010 1000 0000 0001 0110 0110 |
提示
- 该颜色的 IP 位， 表示该位是 IP 的网络号对应的位
- 该颜色的 IP 位，表示该位是 IP 的子网号对应的位
- 该颜色的 IP 位，表示该位是 IP 的主机号对应的位
在分类编址中黄色的网络号是由其分类决定的，例如上述例子中的 IP 地址属于 C 类 IP，而 C 类 IP 的网络号是 24 位的。而绿色的是子网号，由子网掩码划分得出。最后蓝色的是子网号。而在 CIDR 编址时，已经不考虑分类，"/28" 的前缀表示子网掩码，直接将 IP 的前 28 位标识为网络号，剩余的位为主机号。这样 CIDR 就实现了对地址的划分。
经过上述描述，大致对 CIDR 的编址逻辑进行了掌握。接下来强调几点 CIDR 编址的知识点。
1. IP 相同，子网掩码不同的 IP 地址不是同一个地址
202.119.100.202/28 与 202.119.100.202/24 IP 相同，但是子网掩码不同，因此这两个地址不是同一个地址。
202.119.100.202/28 是在 202.119.100.192/28 网络下的主机地址。
202.119.100.202/24 是在 202.119.100.0/24 下的主机地址。
202.119.100.192/28 或 202.119.100.0/24 也被可以被称为 CIDR块，相当于一个网络，因为该地址除了其标识的前 28 位网络号外的主机号全为 0，代表整个网络。
| 十进制 | 二进制 | |
|---|---|---|
| 网络 IP | 202.119.100.192/28 | 1100 0000 1010 1000 0000 0001 0110 0000 |
| 主机 IP | 202.119.100.202/28 | 1100 0000 1010 1000 0000 0001 0110 0110 |
| 网络 IP | 202.119.100.0/24 | 1100 0000 1010 1000 0000 0001 0000 0000 |
| 主机 IP | 202.119.100.202/24 | 1100 0000 1010 1000 0000 0001 0110 0110 |
2. 使用 CIDR 可以对网络进行多层划分
我们查看以下例子。在该例中划分了三层网络（白色的网络，绿色的网络，蓝色网络），其呈现层次关系。其中黄色的是主机 IP。不难发现，随着网络层次的划分，子网掩码的值越来越大，白色的网络层次为 16，绿色的网络层次为 20，蓝色的网络层次为24。子网掩码递增的大小决定了一个高层网络能够划分多少下一层网络。
例如，从白色网络层次的 16，到绿色网络层次的 20，子网掩码递增了 4，这意味着在白色的网络层次地址中有 4 位用来划分子网络。那我们可以计算出，在白色网络层次中可以划分 2 4 2^4 24 个子网络（该计算与分类编址中使用子网掩码的计算相同，但是在 CIDR 编码中不用考虑子网号全为 0 或 1 的情况，因此不需要减 2）。
三. CIDR 练习题
1. 网络 120.26.0.0/18 下可以划分多少个 IP 配置给主机
可知网络号 18 位，则主机号有 32 − 18 = 14 32 -18 = 14 32−18=14 位。则可划分 2 14 2^{14} 214 个 IP。
其中要主机号全为 0 与 1 的 IP 不能配置给主机。因此可划分 2 14 − 2 2^{14}-2 214−2 个 IP 配置给主机。
提示
与上文中的网络层次划分不同，这里之所以要减 2 是因为考虑的是分配给主机而不是分配给子网络。
2. 某主机的 IP 为 120.26.57.7/23，则其属于的网络 IP 为多少
若要求 120.26.57.7/23 所处的网络，只需要将其主机号全置为 0，得到的 IP 即为网络 IP。因此将 120.26.57.7 转化为二进制有：
| 十进制 | 二进制 | |
|---|---|---|
| 主机 IP | 120.26.57.7/23 | 0111 1000 0001 1010 0011 1001 0000 0111 |
| 网络 IP | 120.26.56.0/23 | 0111 1000 0001 1010 0011 1000 0000 0000 |
如上表，其所属网络 IP 为 120.26.56.0/23。
3. 若要在网络 120.26.0.0/18 下再划分一层有 6 个子网络的网络，且要保证每个子网络能够容量尽量多的主机，则这 6 个子网络的 IP 分别为多少
若要再划分 6 个子网络，则下一层子网络的子网掩码要加大 n，以满足 2 n > 6 （ n 为 整 数 ） 2^n>6（n为整数） 2n>6（n为整数）。显然 n ≥ 3 n\geq3 n≥3 满足条件。
当 n = 3 n = 3 n=3 时可保证划分的子网络可容纳的主机最多，则在 120.26.0.0/18 下可划分：
| 十进制 | 二进制 | |
|---|---|---|
| 网络 IP | 120.26.0.0/18 | 0111 1000 0001 1010 0000 0000 0000 0000 |
| 子网络 1 | 120.26.0.0/21 | 0111 1000 0001 1010 0000 0000 0000 0000 |
| 子网络 2 | 120.26.8.0/21 | 0111 1000 0001 1010 0000 1000 0000 0000 |
| 子网络 3 | 120.26.16.0/21 | 0111 1000 0001 1010 0001 0000 0000 0000 |
| 子网络 4 | 120.26.24.0/21 | 0111 1000 0001 1010 0001 1000 0000 0000 |
| 子网络 5 | 120.26.32.0/21 | 0111 1000 0001 1010 0010 0000 0000 0000 |
| 子网络 6 | 120.26.40.0/21 | 0111 1000 0001 1010 0010 1000 0000 0000 |
| 子网络 7 | 120.26.48.0/21 | 0111 1000 0001 1010 0011 0000 0000 0000 |
| 子网络 8 | 120.26.56.0/21 | 0111 1000 0001 1010 0011 1000 0000 0000 |
则在这些子网络 IP 地址中选出 6 个即为答案。
提示
本次文章的习题讲解相比之前的文章讲解的没那么细，若有问题可以评论，会在一天内回复解答。
参考文献
[1] JAmes F.Kurose, Keith W. Ross.计算机网络自顶向下方法[M].机械工业出版社:北京,2014.9:229.
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