IP地址与子网划分：网络寻址的艺术

引言

在现实生活中，我们通过地址找到一个人的家：

国家 → 省 → 市 → 区 → 街道 → 门牌号

在网络世界中，我们通过IP地址找到一台计算机：

93.184.216.34

IP地址是网络层最核心的概念之一，理解它对于掌握计算机网络至关重要。

第一性原理：为什么需要IP地址？

问题：如何在全球网络中找到一台计算机？

假设全球有50亿台设备联网，如何唯一标识每一台？

方案1：随机编号

❌ 无法路由（不知道往哪个方向发送）
❌ 需要全局查找表（太大，无法维护）

方案2：层次化编号（IP地址）

✅ 可以路由（根据前缀决定方向）
✅ 分段查找（路由器只需维护部分信息）
✅ 可扩展（支持更多设备）

IP地址的设计哲学

全球唯一性：每个公网IP只能分配给一台设备
层次化结构：网络部分 + 主机部分
可路由性：路由器根据IP前缀转发数据包

IPv4：32位地址

基本格式

二进制表示：11000000.10101000.00000001.01100100 十进制表示：192.168.1.100 十六进制表示：C0.A8.01.64

每个点分十进制数字范围：0-255（2^8 = 256）

IPv4地址总数

32位 = 4字节 = 2^32 = 4,294,967,296个地址
约43亿个地址

问题：全球人口超过80亿，IPv4地址不够用！

解决方案：

NAT（网络地址转换）
私网IP复用
IPv6（128位地址）

分类地址（历史知识）

早期互联网使用分类地址（Classful Addressing），已淘汰，但需了解：

A类地址

格式：0XXXXXXX.XXXXXXXX.XXXXXXXX.XXXXXXXX
范围：1.0.0.0 - 126.255.255.255
网络数：128个（2^7）
每个网络主机数：16,777,214个（2^24 - 2）
用途：超大型网络（如MIT、IBM）

B类地址

格式：10XXXXXX.XXXXXXXX.XXXXXXXX.XXXXXXXX
范围：128.0.0.0 - 191.255.255.255
网络数：16,384个（2^14）
每个网络主机数：65,534个（2^16 - 2）
用途：中型网络（如大学、公司）

C类地址

格式：110XXXXX.XXXXXXXX.XXXXXXXX.XXXXXXXX
范围：192.0.0.0 - 223.255.255.255
网络数：2,097,152个（2^21）
每个网络主机数：254个（2^8 - 2）
用途：小型网络（如小公司、家庭）

D类和E类

D类：224.0.0.0 - 239.255.255.255（多播地址）
E类：240.0.0.0 - 255.255.255.255（保留，实验用）

分类地址的问题

浪费严重：B类网络有6.5万个IP，但很多公司只需几千个
不够灵活：只能选择A/B/C三种固定大小
路由表膨胀：互联网路由表越来越大

1993年，CIDR取代了分类地址！

CIDR：无类别域间路由

什么是CIDR？

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）：无类别域间路由

核心思想：不再固定网络前缀长度，而是灵活划分。

CIDR表示法

IP地址/前缀长度

示例：
192.168.1.0/24    # 前24位是网络部分，后8位是主机部分
10.0.0.0/8        # 前8位是网络部分，后24位是主机部分
172.16.0.0/12     # 前12位是网络部分，后20位是主机部分

子网掩码

子网掩码用于区分网络部分和主机部分：

192.168.1.0/24

IP地址：  192.168.1.0
          11000000.10101000.00000001.00000000

子网掩码：255.255.255.0
          11111111.11111111.11111111.00000000
          ↑────────前24位为1──────────↑ ↑8位为0↑

计算方法：

前缀长度24位 → 前24位为1，后8位为0
转换为十进制：255.255.255.0

常见CIDR与子网掩码对照

CIDR	子网掩码	可用主机数	用途
/32	255.255.255.255	1	单个主机
/31	255.255.255.254	2	点对点链路
/30	255.255.255.252	2	点对点链路
/29	255.255.255.248	6	极小网络
/28	255.255.255.240	14	很小网络
/27	255.255.255.224	30	小网络
/26	255.255.255.192	62	小网络
/25	255.255.255.128	126	中小网络
/24	255.255.255.0	254	标准C类
/16	255.255.0.0	65,534	标准B类
/8	255.0.0.0	16,777,214	标准A类

主机数计算公式：2^(32-前缀长度) - 2

公网IP vs 私网IP

私网IP（内网IP）

以下三个IP段是私网IP，不能在公网路由：

10.0.0.0/8
  范围：10.0.0.0 - 10.255.255.255
  主机数：16,777,216个（约1677万）

172.16.0.0/12
  范围：172.16.0.0 - 172.31.255.255
  主机数：1,048,576个（约104万）

192.168.0.0/16
  范围：192.168.0.0 - 192.168.255.255
  主机数：65,536个（约6.5万）

用途：

家庭网络：192.168.x.x
企业内网：10.x.x.x 或 172.16-31.x.x
云服务器内网：10.x.x.x

特点：

✅ 可以重复使用（不同网络可以用相同的私网IP）
✅ 不占用公网IP资源
❌ 无法直接访问互联网（需要NAT转换）

公网IP

除私网IP外的其他IP都是公网IP，可以在公网路由。

示例：

Google：8.8.8.8
阿里云DNS：223.5.5.5
Cloudflare DNS：1.1.1.1

特殊IP地址

0.0.0.0/8          # 本网络（用于路由表默认路由）
127.0.0.0/8        # 环回地址（本机）
127.0.0.1          # 本机环回地址（localhost）
169.254.0.0/16     # 链路本地地址（DHCP失败时自动分配）
224.0.0.0/4        # 多播地址（D类）
255.255.255.255    # 广播地址（全网广播）

NAT：网络地址转换

为什么需要NAT？

问题：IPv4地址不够用，家庭/企业有多台设备，但只有1个公网IP。

解决方案：NAT（Network Address Translation）

NAT工作原理

内网设备1：192.168.1.100:52341
内网设备2：192.168.1.101:52342
            ↓
       家用路由器
    （公网IP：123.45.67.89）
            ↓
公网：123.45.67.89:12345 → 93.184.216.34:80
      123.45.67.89:12346 → 93.184.216.34:80

NAT映射表：
123.45.67.89:12345 ↔ 192.168.1.100:52341
123.45.67.89:12346 ↔ 192.168.1.101:52342

NAT的优缺点

优点：

✅ 节省公网IP地址
✅ 提供一定的安全性（内网设备不直接暴露）
✅ 允许内网自由规划IP

缺点：

❌ 无法从外网主动访问内网设备（需要端口映射）
❌ 增加延迟（需要查表转换）
❌ 某些协议不支持NAT（如FTP的主动模式）

子网划分实战

场景：为微服务集群规划IP

你有一个 10.0.0.0/16 的网段，需要划分给不同的微服务：

需求：

Web服务器：需要100个IP
应用服务器：需要500个IP
数据库服务器：需要50个IP
缓存服务器：需要30个IP

划分方案

原始网段：10.0.0.0/16（65,534个IP）

划分：
1. Web服务器：10.0.0.0/25（126个IP）
   范围：10.0.0.0 - 10.0.0.127

2. 应用服务器：10.0.1.0/23（510个IP）
   范围：10.0.1.0 - 10.0.2.255

3. 数据库服务器：10.0.3.0/26（62个IP）
   范围：10.0.3.0 - 10.0.3.63

4. 缓存服务器：10.0.3.64/27（30个IP）
   范围：10.0.3.64 - 10.0.3.95

5. 预留空间：10.0.4.0/22（1022个IP）
   用于未来扩展

子网计算技巧

快速计算可用主机数：

/32 → 1个IP
/31 → 2个IP
/30 → 4个IP（可用2个）
/29 → 8个IP（可用6个）
/28 → 16个IP（可用14个）
/27 → 32个IP（可用30个）
/26 → 64个IP（可用62个）
/25 → 128个IP（可用126个）
/24 → 256个IP（可用254个）

规律：2^(32-前缀长度) 个IP，减去网络地址和广播地址（各1个）

实战工具：在线子网计算器

推荐工具：

IPv6：未来的网络

IPv6地址格式

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

简写规则：
1. 去掉前导零：2001:db8:85a3:0:0:8a2e:370:7334
2. 连续的0用::替代：2001:db8:85a3::8a2e:370:7334

IPv6的优势

✅ 地址空间巨大：2^128 ≈ 340万亿亿亿亿个地址
✅ 不需要NAT
✅ 更好的安全性（内置IPsec）
✅ 更好的移动性支持

IPv4与IPv6过渡

双栈：同时支持IPv4和IPv6
隧道：通过IPv4网络传输IPv6数据包
NAT64：IPv6访问IPv4网络

总结

核心要点

IP地址的本质
- 32位二进制数（IPv4）
- 网络部分 + 主机部分
- 全球唯一（公网IP）
CIDR与子网掩码
- 灵活划分网络
- IP地址/前缀长度
- 子网掩码区分网络和主机
公网IP vs 私网IP
- 私网IP：10.x.x.x, 172.16-31.x.x, 192.168.x.x
- 公网IP：其他
- NAT实现内网到公网的转换
子网划分
- 根据需求分配合适大小的网段
- 预留空间用于扩展
- 使用CIDR表示法

下一篇预告

下一篇我们将学习 MAC地址与ARP协议，理解数据链路层的寻址机制，以及为什么既需要IP地址又需要MAC地址。

思考题：

如果一个公司有1000台设备，应该申请多大的网段？
为什么私网IP段是这三个（10.x.x.x/172.16-31.x.x/192.168.x.x）？
IPv6有那么多地址，为什么IPv4还在使用？

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