22张图带你了解IP地址有什么作用

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　　9000字图文能讲明白IP地址划分、子网掩码的作用吗？
　　以下文章来源于网络之路博客，作者网络之路作者一天
　　（1）子网掩码
　　之所以出现大量地址浪费，在于早期的地址分类采用的是固定的网络位与主机位的长度，不能灵活的规划，所以在后面打破了这个规则，32比特的IP还是分为网络号与主机号，但是不在采用固定的长度形式，可以根据环境需求来变化长度，那就带来了一个问题，之前的主机与网络设备都是通过固定分类来识别的，而现在网络号的长度不确定，那怎么来识别呢？这个识别的功能就是子网掩码。（打破这个规则的是CIDR与VLSM，子网掩码为了打破固定为后，标识出实际的网络号是多少）
　　子网掩码也是采用32位的二进制表示，IP地址网络号部分，子网掩码设置为1，IP地址的主机部分，设置为0，简单理解IP的网络号有多少位，子网掩码就有多少位取1，其余的主机号为0，然后为了方便记录，跟IP地址形式一样，每8位一组，以点分十进制方式表示。
　　举例：202。100。1。33的子网掩码为255。255。255。0，算出它的网络号。
　　这样就得前24位为网络号，网络号为202。100。1，主机号为最后一位，可用地址为1254（其中0是网段地址，255是广播地址排除）
　　你会发现，不管是Windows系统、安卓、苹果或者Linux等系统上，只要是运行了TCPIP协议体系的，都要求填写子网掩码，否则会提示错误。因为之前我们上面介绍过，网络号与主机号的作用，网络号用于两台计算机通讯来判断是否处于同一个网段依据，既网络号相同，说明处于同一个网段，直接把数据包发送给目标主机，如网络号不同，则不在一个网段，这个时候就需要交给主机填写的默认网关处理（如果默认网关没有，则通信失败。），所以有了子网掩码，就能确认网络号的范围，就能判断数据包目的是否在同一个网段了，这是主机终端系统判断的依据。
　　在三层设备路由寻址中，也是通过路由表存在的掩码信息来找到数据包目的IP对应的网络号路由条目，然后把数据包发往对应的网络中去。
　　IP与子网掩码在实际中的结合表示方法通常有两种，一种是，十进制表示为：255。255。255。0，或者斜线表示：24，比如192。168。1。024或者192。168。1。0255。255。255。0这个都是表示192。168。1。0网段（网络号为192。168。1，主机地址范围1254）
　　（2）VLSM（可变长子网掩码）
　　上面提到的子网掩码只是表示当前的地址的网络号多少，用于判断的，像之前提到的安全问题（A与B公司在一个网段），以及运营商如何把一个标准的C类网段给划分成客户需要的数量，这个就是VLSM实现的功能，它可以将之前的A、B、C类地址进行划分，划分成各种网络场景需求的大小，这个过程也叫做子网划分。
　　子网划分是把IP地址最左边开始的主机位，根据需求移动对应的主机位划入网络位，也可以叫做借位，比如一个标准的C类，是24位网络号，8位的主机号，从最左边开始借两位，这样网络号就变成了26位，主机号就成了6位了，这样就把一个大的网段变成多个小的网段分给多个公司或者区域，主机位变成网络位的部分叫做子网号，这个划分没有什么诀窍，只能依靠多练习，下面举例几个来了解下划分的技巧跟公式，然后在说说如今企业网中以及规划中注意的地方。
　　举例一：公司有三个部门，每个部门终端数在5060之间，使用网段202。100。1。024，为三个部门各自分配一个网段。
　　（1）现在已经知道的是每个部门的终端数在5060之间，取最大值60，这个时候有一个公式计算2n2m，m需要的终端数量，也就是2n260，只有n6的时候，才满足这个条件。（最基本的数学公式，实在忘记了可以用计算器。）
　　（2）得到对应的网络位：32（子网掩码255。255。255。255）主机位（N6）26（255。255。255。192）
　　（3）开始进行划分，把网段202。100。1。024的主机号，借两位变成子网号，可以划分出4个等同大小的子网，怎么快速得到的是4个呢？224，当然也可以按下面的办法把能组合的列出来，就自然知道了。
　　4、通过计算出来的子网号，从小到大的顺序，分配给三个部分，这里分配202。100。1。026，202。100。1。6426，202。100。1。12826，剩下的怎么计算出有多少个主机地址其实就很简单的。
　　还记得上面的公式2n2，减2的原因是有一个网络地址，一个广播地址，这两个是不可用的，所以需要减去，每个划分的子网都是一样，可能你也发现了一个特点，如果划分的子网越多，每个子网都需要减去2个地址，这部分的地址也是被浪费掉的，但是这也是一个无奈的选择，相比浪费更多地址来说，这种情况还是可以接受的。另外计算出最小可用地址与最大可用地址，对于新手来说，可以跟上面一样把二进制列出来，最小位无非是全0（网络地址），最大位全1（广播地址），去掉这2个地址，剩下的就是可用范围了。
　　举例二：某个公司有180个人，销售部110人，技术部55人，管理部门10人，财务部5人，还是采用202。100。1。024的网段划分，这个跟第一个不一样，第一个每个部门的数量一样的，而这个则不一样，每个部门的人数不一样，这个时候划分，从最大需求的人数开始。
　　1、按照需求数量，从地址需求大到小开始进行划分，先计算销售部，公式还是之前的2n2m，m需要的终端数量，也就是2n2110，N7，同样的方法代入，计算出技术部N6，管理部门N4，财务部门N3
　　2、各个部门的网络位，销售部32725位（255。255。255。128），技术部32626位（255。255。255。192），管理部门32428位（255。255。255。240），财务部门32329位（255。255。255。248）
　　3、开始进行划分，分配从最大的开始，7个主机位，借取一位做子网位
　　4、第一个子网占用了1127的地址，虽然需求里面只需要110个，但是VLSM是没法做到正好的，只能做到离110需求最近的，那么在划分第二个子网的时候，需要跟第一个子网不重复。
　　第一个已经使用了202。100。1。025，还剩下202。100。1。12825没有划分，第二个子网就从这个里面继续开始划分。（主机数已经在第一个步骤与第二个步骤计算出来了，技术部主机号需要6位）
　　同样的方法，第二个子网网段使用了202。100。1。12826，还剩下202。100。1。19226，管理部门接着划分。
　　在用同样的方法，，第三个子网网段用了202。100。1。19228，还三个可以继续使用，使用最小的，202。100。1。20828，计算出财务部门。
　　至此，VLSM就到在这里结束了，对于新手来说，只要掌握了这个划分的方法就行了，知道怎么去划分，计算，这个要熟练的话就得多去练习，但是这里博主说下，这种划分方式在我们工作中在运营商运维以及金融、政企这些网络中对于地址的范围以及规划有严格的划分要求，经常会用到VLSM，而常见的大部分面向中小型企业网的环境，对于地址而言就没这么严格的要求了，可能更多的这种需求在面试或者是题目中会经常看到，这个在待会了解完私网地址，博主会以实际环境来介绍。
　　（3）CIDR（无分类域间路由或者无分类编址）
　　从上面两个举例可以看出来，VLSM是将一个大的网段划分成多个小的子网，让地址需求少的用户获取相近数量的地址，避免浪费，它的核心理念就是从主机号进行借位，变成子网号。那CIDR正好相反，来看一个例子。
　　例子：某个公司办公网200人，用了一个192。168。100。024的网段，有一个监控网络，包含仓库、办公以及各个区域有500个摄像头点位，为了方便管理，希望这500个摄像头都在同一个网段内，这个时候该怎么处理呢？
　　从之前学到的内容来说，VLSM并不具备这个功能，只能将一个原有的网段划分成多个小的子网网段，而一个标准C类24的地址最多也就254个，如果用2个C类地址，确实可以达到500个的需求，但是不属于同一个网段了，如果能把这2个C类地址合并到一起，变成一个网段，这样地址够了，又满足了在同一个网段的需求，CIDR就是解决这样的场景的，假设分配的网段是192。168。0。024，想主机位可容纳500个地址。
　　先回顾下，一个网段的判断是网络号相同，主机号可变，如果要满足500个地址，那是不是主机号2n2500即可，N9，然后用32923位（255。255。254。0），相当于像网络位借一位作为主机位使用，跟VLSM正好相反。
　　CIDR后，相当于最终的网段则是192。168。0。0255。255。254。0（23），可用地址为192。168。0。1到192。168。1。254，那么这里看一个比较有趣的事情，像192。168。0。255、192。168。1。0，如果按C类标准24位掩码，它明显是一个网络地址以及广播地址，这也是很多面试或者题目里面经常会问到的，它就给你这么一个地址，问你是是不是广播地址或者网络地址，很多朋友就会忽略后面的子网掩码，就直接选择是，但是，实际上一定要看子网掩码是多少，如果它是24位的掩码，那确实是，但是如果是23或者22等掩码，就不是了，通过上面就可以计算出，最小的主机位是192。168。00000000。00000000（192。168。0。0），最大的主机为是192。168。00000001，11111111（192。168。1。255），192。168。0。255以及192。168。1。0在子网掩码255。255。254。0中，既不是网络地址也不是广播地址，而是可用的地址。
　　CIDR有一个特别需要注意的地方，就是网络号要保持相同，这个也好很理解，就像上面一个要求500个地址在同一个网段，同一个网段的判断不就是网络号相同吗？所以在规划的时候要注意，不能将192。168。0。024与192。168。2。024，合并成一个网段，用500个地址，因为它得到的网络号是不一样的，如果要将0。0与2。0在一个网段，那则必须在借位。
　　只有网络号保持一样了，才能继续进行下一步，但是你会发现，这样的话地址就不只500个了，包含四个组合0网段（000）1网段（011），2网段（102），3网段（113），地址就变成了21021022个主机地址。
　　CIDR还有聚合的作用，把相网络号的网段进行合并，变成一个超网（大的网段），可以大大的减少路由器的压力，对于数据包的转发效率更高，这一块在学习路由知识点的时候会涉及到，这里就提一下。
　　小经验分享：CIDR在实际中用的非常多，比如在一个商场的网络部署中，每个人负责的不一样，可能A负责网络设备的规划跟打通，B负责监控这块，这时候B跑过来跟A说，监控这块我需要500个地址或者1000个地址，规划地址的时候单独帮我划分出来一个这样的网段给监控用，告诉我范围就行，这个就是上面介绍的给予一个192。168。0。023或者192。168。0。022的网段了。在无线环境也很多这样的需求，特别流动性大的公共场所，为了地址够用，有时候也会划分一个大的网段，避免地址不够的情况出现。CIDR用多了你就会越来越有经验了，比如一个24的C类标准地址，子网掩码借一位（往左移一位），能够将两个网段合并成一个大的，如果借2位（往左移动两位），能够将4个网段合并，借三位能够合并八个网段，依次这样类推，那么在实际中完全可以根据不同的场景需求，来进行规划网段容纳多少地址，来满足客户的需求。
　　（4）公网与私网地址
　　随着IP地址的早期规划带来的问题，早期已经有大量的A类地址被分配出去，A类地址就占用了整个IP地址中的二分之一，又无法收回，导致只有B与C类可以分配，虽然有了VLSM以及CIDR技术的方案，但是也只能缓解IP地址枯竭的速度，于是提出了一个概念，私网地址。
　　之前提到过IP地址在互联网中是有唯一标识的，这个指的是公网地址，私网地址的作用是什么呢？可以想象下，如今的一个办公楼、一个有点规模的企业，少则几十人，多则几百人，而且每个人手里不单单只有办公电脑，可能手机、平板都要接入到网络中来，那对于地址这块的消耗是非常大的，私网地址的作用就是在之前的A、B、C类里面拿出来一小部分作为私网地址的范围，这个范围的地址任何公司的局域网都可以使用，只要同一个局域网内网段没有重复、冲突即可，私网地址的出现，又帮助了IP地址缓解了枯竭的速度。
　　那么可能就有朋友会觉得奇怪了，A公司使用的是192。168。1。024，B公司使用的也是192。168。1。024，那么它们去互联网上不就冲突了吗？，没错，相同的地址如果都出现在互联网上，势必就冲突了，所以私网地址明确规定只能在局域网内使用，不允许出现在互联网上，通常运营商会做访问策略，在接入用户的设备上面拒绝掉私网地址的进入。冲突的问题解决了，那使用私网地址的局域网无法访问互联网了吗？答案肯定是可以的，不知道大家有没有留意过，家里使用的一体猫、或者路由器，分配的地址都是192。168。0。024或者192。168。1。024开头的，从上面列表里面就可以看到不管是192。168。0。0还是192。168。1。0都是属于C类的私网地址范围，但是确实是可以上网的，电脑或者手机上面并没有使用公网地址，这就是我们后续要讲解的一个技术，叫做NAT，它的功能简单介绍就是把私网网段转换成一个公网地址（可上互联网的地址）来完成对internet的访问（这个技术后续会详细讲解，这里简单提一下）
　　（5）公网地址管理机构
　　私网IP地址都是由对应场景的IT人员进行规划分配，而公网地址需要保证唯一性，就有一个专门的管理组织，叫做ICANN（互联网名称与数字地址分配机构），它下面有一个机构叫做IANA，主要负责互联网IP地址的分配。
　　分配的方式是按州的方式层层分配，APNIC主要负责的是亚太地区（中国、日本、韩国等国家），每个国家又有自己专门的机构进行管理分配给运营商，中国则是CNNIC的机构进行管理分配。
　　（6）IPV6
　　上面介绍到的技术都只能缓解IP地址的枯竭，早在2011年的时候IP地址就已经被分配完毕，运营商与对应的管理机构，也在回收一些倒闭的公司跟空闲的IP地址，但也治标不治本，迟早有一天是会用尽的，所以在提出缓解技术的同时，也在想着规划出一套全新的地址体系，那就是IPV6。
　　IPV6在本次课程不会涉及，后续会根据情况来开专题课，这里就简单了解下IPV6的功能跟好处。
　　1、巨大的地址空间
　　IPV4的地址位数是32位，IPV6充分的考虑到了以后的发展，采用了128位，IPV6出现的时候就流传着这样一个说法：地球上的每粒沙子都可以被分配到一个地址。
　　2、报文的改进
　　IPV6采用了新的协议头部，简化了格式，这样在数据包处理起来效率更高，并且引入了安全机制。
　　3、引入邻居发现协议
　　替代了IPV4中依赖的ARP协议、DHCP协议。（这2个协议马上就会接触到了）
　　以实际环境来讲解解析一些困惑的地方
　　上面拓扑是一个常见的企业网的架构，中间的设备现在还没学习路由交换的技术，可能看不懂，这个没关系，简单理解就是，这个企业网有三个内网，一个办公网，一个监控网，一个服务器网，办公网需要100个终端，监控网500个终端，服务器网10个终端，客户希望每个网独立一个网段，那我们在实际中去规划这个网段的时候应该怎么去规划呢？
　　（1）第一种规划方法，需要多少划分多少监控网500个终端，按照CIDR的方法，向网络位借位，2n2500，N9，32位9位23位，子网掩码为255。255。254。0（23），选用192。168。0。023，可用地址192。168。0。1192。168。1。254办公网终端100个，按照VLSM方法，向主机位借位，2n2100，N7，32位7位25位，子网掩码为255。255。255。128（25），选用192。168。2。025，可用地址：192。168。2。1192。168。2。126服务器网终端10个，按照VLSM方法，向主机位借位，2n210，N4，32位4位28位，子网掩码为255。255。255。240（28），选用192。168。2。12828，可用地址：192。168。2。129142
　　（2）第二种规划方法，预留空间监控网500个终端，可以给予1022个地址，使用10。0。0。022，范围10。0。0。110。0。3。254办公网终端100个，给予一个C类地址24位，使用10。0。4。024，范围10。0。4。110。0。4。254服务器网终端10个，给予一个C类地址24为，使用10。0。5。024，范围10。0。5。110。0。5。254
　　这种对于初学者来说可能都会用第一种，因为上面介绍的方法或者在看书的知识点的时候都是这样介绍的，但是在实际中要多方面考虑在局域网使用的是私网地址范围，由IT管理者来自用规划，作为IT人员，自然要考虑长远点，相对于常见的企业网来说，私网地址相当于免费使用，同一个局域网中不要使用同一个相同的网段即可，所以通常的做法是只需要100个地址的给予一个标准C类，需要400500的给予一个23位或者22位网段，而10台服务器的网段，也可以给予一个标准的C。给予充裕的地址空间是为了扩展性，比如办公网目前100个终端，分配的是25位，只有126个可用地址，假设后续增加了50台，那是不是这个网段的地址就不够用了，基于这样的情况，通常就会给予一个可扩展的空间预留。对于企业这种多网段的环境，如果网段之间互访那必须依赖网关，因为不在同一个网络号里面，所以每个网段里面都拿出一个给予三层设备作为网关地址使用，通常会以网段的第一个地址或者最后一个地址作为网关，比如192。168。0。025，可以用192。168。0。1也可以用192。168。0。126。在规划的时候尽量避免使用192。168。0。0、1。0、2。0、31。0这些网段，因为很多网络设备的初始化网段就在这些里面，为了避免冲突，建议使用10、172。16。172。31或者192。168其他网段进行规划选择，大家住熟悉的光猫与家用路由器就使用的192。168。0。0或者1。0、2。0这三个网段。在工作交流中，会经常听到C类地址或者B类地址，虽然分类地址已经不再使用了，但是这个叫法一直存在，当别人提到C类地址的时候指的就是24的掩码，B类地址指的是16的掩码，实际上的使用就很灵活，10。0。0。024，172。16。0。024，又或者192。168。0。016都是可以的。地址规划的时候采用连续的，对于后续在三层设备上面可以做聚合。这个只是一个常见的规划方法，在后续中，会继续讲解各种组网的结构，要学会灵活运用即可。
　　（3）另外一些经验之谈
　　子网规划跟划分对于初学者来说，懂的VLSM以及CIDR的用途跟如何划分即可，因为在实际中往往会碰到一个尴尬的问题，都会采用第二种规划方法，直接采用24或者23位这样的，久而久之对应的子网划分使用的少了，就会忘掉，或者是更依赖与计算工具，就像我们从小学到大的数学，但是平时生活中算数，是不是大部分都依赖计算器的多，所以对于初学者来说，知道了它的用途以及如何划分的方法就行了，那这里分享一些有用的经验，在实际规划中能帮到大家。
　　1、速记表格
　　对于IP地址规划记住了VLSM与CIDR的用途以及划分方式后，在配合这个表格，能达到很好的效果，那这个表格有什么有用的信息呢子网掩码，表格从8开始到32都列出来了，不需要都记住，项目中经常遇到的2226以及30与32，记住这几个常用的即可，其余的遇到了，查下或者换算下就可以得到了。地址可用数量，可以看最后一列，它列出来了常见的地址数量），比如需要500个地址，找到最相近的512，用掩码23即可。多个子网划分，如果相同主机数量要求的，可以参考子网数量，需要几个网段，对应的掩码设置多少即可，如果主机需求不一样，这个只能就依靠VLSM算法了，但是这种环境通常很少遇到。
　　2、计算工具
　　跟我们平时生活中用计算器一样，子网掩码也有计算工具，手机推荐使用网络万用表（应用商店或者浏览器都可以找到），电脑版本可以网页在线搜索子网掩码计算工具或者离线版本，这个我都会共享在公众号里面，可以自己获取就行。
　　3、表达格式
　　你可能在后续的工程实施以及客户给需求文档中，会看到这样的格式，比如办公网：192。168。10。024，监控网：192。168。11。024，这个表示是办公网规划成192。168。10。0的网段（主机范围1254），监控网规划成192。168。11。0（主机范围1254），还有在与客户或者是同行交流中，如果对方只说了IP地址，没说子网掩码，这种是无法确定它网段的大小的，只有明确的表明了子网掩码是多少，才能确定它的网段大小。
　　4、其他特殊地址
　　可能在后续中还会见到很多特殊的地址，比如0。0。0。0、255。255。255。255，以及169。254。0。016、127。0。0。08等，这个我们在后续中慢慢都会接触到，这里就暂时不详细说，否则东西太多，容易混乱。
　　承上启下
　　IP地址已经知道是什么了，也知道如何划分了，已经通信的规则，也知道MAC地址的作用，那么下一篇我们就来了解下通信的时候终端是如何知道对方的MAC地址的，网关又起一个什么样的作用，会从抓包、图解等多方面来掌握，下两篇的内容很重要，需要反复看。