IP地址和子网掩码的基础知识

基于IP协议的因特网，目前已经发展成为当今世界上规模最大、拥有用户最多、资源最广泛的通信网络。IP协议也因此成为事实上的业界标准，以IP协议为基础的网络已经成为通信网络的主流。   
　　本文将结合笔者的实践经验和思科网络技术学院CCNA课程的教学经验，就IP协议关于IP地址这部分内容，进行简要的阐述。   
　　一、为什么要使用IP地址？   
　　一个IP地址是用来标识网络中的一个通信实体，比如一台主机，或者是路由器的某一个端口。而在基于IP协议网络中传输的数据包，也都必须使用IP地址来进行标识，如同我们写一封信，要标明收信人的通信地址和发信人的地址，而邮政工作人员则通过该地址来决定邮件的去向。   
　　同样的过程也发生在计算机网络里，每个被传输的数据包也要包括的一个源IP地址和一个目的IP地址，当该数据包在网络中进行传输时，这两个地址要保持不变，以确保网络设备总是能根据确定的IP地址，将数据包从源通信实体送往指定的目的通信实体。   
　　目前，IP地址使用32位二进制地址格式，为方便记忆，通常使用以点号划分的十进制来表示，如：202.112.14.1。   
　　一个IP地址主要由两部分组成：一部分是用于标识该地址所从属的网络号；另一部分用于指明该网络上某个特定主机的主机号。   
　　为了给不同规模的网络提供必要的灵活性，IP地址的设计者将IP地址空间划分为五个不同的地址类别，如下表所示，其中A,B,C三类最为常用：   
A类 0－127 0 8位 24位   
B类 128－191 10 16位 16位   
C类 192－223 110 24位 8位   
D类 224－239 1110 组播地址   
E类 240－255 1111 保留试验使用   
　　网络号由因特网权力机构分配，目的是为了保证网络地址的全球唯一性。主机地址由各个网络的管理员统一分配。因此，网络地址的唯一性与网络内主机地址的唯一性确保了IP地址的全球唯一性。   
　　二、划分子网   
　　为了提高IP地址的使用效率，可将一个网络划分为子网：采用借位的方式，从主机位最高位开始借位变为新的子网位，所剩余的部分则仍为主机位。这使得IP地址的结构分为三部分：网络位、子网位和主机位。  

　　引入子网概念后，网络位加上子网位才能全局唯一地标识一个网络。把所有的网络位用1来标识，主机位用0来标识，就得到了子网掩码。如下图所示的子网掩码转换为十进制之后为：255.255.255.224   


　　子网编址使得IP地址具有一定的内部层次结构，这种层次结构便于IP地址分配和管理。   
　　它的使用关键在于选择合适的层次结构--如何既能适应各种现实的物理网络规模，又能充分地利用IP地址空间（即：从何处分隔子网号和主机号）。   

　　小窍门--子网的计算   
　　在思科网络技术学院CCNA教学和考试当中，不少同学在进行IP地址规划时总是很头疼子网和掩码的计算。现在给大家一个小窍门，可以顺利的解决这个问题。  
首先，我们看一个CCNA考试中常见的题型：一个主机的IP地址是202.112.14.137，掩码是255.255.255.224，要求计算这个主机所在网络的网络地址和广播地址。
常规办法是把这个主机地址和子网掩码都换算成二进制数，两者进行逻辑与运算后即可得到网络地址。其实大家只要仔细想想，可以得到另一个方法：255.255.255.224的掩码所容纳的IP地址有256－224＝32个（包括网络地址和广播地址），那么具有这种掩码的网络地址一定是32的倍数。而网络地址是子网IP地址的开始，广播地址是结束，可使用的主机地址在这个范围内，因此略小于137而又是32的倍数的只有128，所以得出网络地址是202.112.14.128。而广播地址就是下一个网络的网络地址减1。而下一个32的倍数是160，因此可以得到广播地址为202.112.14.159。可参照下图来理解本例：  

　　CCNA考试中，还有一种题型，要你根据每个网络的主机数量进行子网地址的规划和计算子网掩码。这也可按上述原则进行计算。比如一个子网有10台主机，那么对于这个子网就需要10＋1＋1＋1＝13个IP地址。（注意加的第一个1是指这个网络连接时所需的网关地址，接着的两个1分别是指网络地址和广播地址。）13小于16（16等于2的4次方），所以主机位为4位。而256－16＝240，所以该子网掩码为255.255.255.240。   
　　如果一个子网有14台主机，不少同学常犯的错误是：依然分配具有16个地址空间的子网，而忘记了给网关分配地址。这样就错误了，因为14＋1＋1＋1＝17 ，大于16，所以我们只能分配具有32个地址（32等于2的5次方）空间的子网。这时子网掩码为：255.255.255.224。   
　　三、 IP 地址的局限性   
　　最初的因特网设计者没有预想到网络会有如此快速地发展，因此现在网络面临的问题都可以追溯到因特网发展的早期决策上，IP地址的分配更能体现这点。   
　　目前使用的IPv4地址使用32位的地址，即在IPv4的地址空间中有232（4,294,967,296，约为43亿）个地址可用。这样的地址空间在因特网早期看来几乎是无限的，于是便将IP地址根据申请而按类别分配给某个组织或公司，而很少考虑是否真的需要这么多个地址空间，没有考虑到IPv4地址空间最终会被用尽。  
因此，IPv4地址是按照网络的大小（所使用的IP地址数）来分类的，它的编址方案使用"类"的概念。A、B、C三类IP地址的定义很容易理解，也很容易划分，但是在实际网络规划中，它们并不利于有效地分配有限的地址空间。对于A、B类地址，很少有这么大规模的公司能够使用，而C类地址所容纳的主机数又相对太少。所以有类别的IP地址并不利于有效地分配有限的地址空间，不适用于网络规划。   
　　在这种情况下，人们开始致力于下一代因特网协议--IPv6的研究。由于现在IPv6的协议并不完善和成熟，需要长期的试验验证，因此，IPv4到IPv6的完全过渡将是一个比较长的过程，在过渡期间我们仍然需要在IPv4上实现网络间的互连。而在90年代初期引入了变长子网掩码（VLSM）和无类域间路由（CIDR）等机制，作为目前过渡时期提高IPv4地址空间使用效率的短期解决方案起到了很大的作用。