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带你了解IP地址划分、子网掩码的作用、实际中IP地址规划是怎么样的?

数通学院1年前 (2021-10-16)

(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。

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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1~254(其中0是网段地址,255是广播地址排除)

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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TCP/IP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192.168.1.0/24或者192.168.1.0/255.255.255.0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1~254)


(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。

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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50~60之间,使用网段202.100.1.0/24,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50~60之间,取最大值60,这个时候有一个公式计算 2n-2≥m,m=需要的终端数量,也就是2n-2≥60,只有n=6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(N=6)=26(255.255.255.192)

(3)开始进行划分,把网段202.100.1.0/24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?22=4,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。

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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202.100.1.0/26,202.100.1.64/26,202.100.1.128/26,剩下的怎么计算出有多少个主机地址其实就很简单的。

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还记得上面的公式2n-2,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202.100.1.0/24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2n-2≥m,m=需要的终端数量,也就是2n-2≥110,N=7,同样的方法代入,计算出 技术部 N=6,管理部门 N=4,财务部门 N=3

2、各个部门的网络位,销售部 32-7=25位 (255.255.255.128),技术部32-6=26位(255.255.255.192),管理部门 32-4=28位(255.255.255.240),财务部门32-3=29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

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4、第一个子网占用了1~127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202.100.1.0/25,还剩下202.100.1.128/25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)

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同样的方法,第二个子网网段使用了202.100.1.128/26,还剩下202.100.1.192/26,管理部门接着划分。

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在用同样的方法,,第三个子网网段用了202.100.1.192/28,还三个可以继续使用,使用最小的,202.100.1.208/28,计算出财务部门。

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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192.168.100.0/24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192.168.0.0/24,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2n-2≥500即可,N=9,然后用32-9=23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。

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CIDR后,相当于最终的网段则是192.168.0.0/255.255.254.0(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192.168.0 0 0 0 0 0 0 0. 0 0 0 0 0 0 0 0(192.168.0.0),最大的主机为是192.168.0 0 0 0 0 0 0 1,1 1 1 1 1 1 1 1(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。

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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192.168.0.0/24与192.168.2.0/24,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。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192.168.0.0/24与192.168.2.0/24,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。

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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(0 0=0)1网段(0 1 =1),2网段(1 0=2),3网段(1 1=3),地址就变成了2^10-2=1022个主机地址。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(0 0=0)1网段(0 1 =1),2网段(1 0=2),3网段(1 1=3),地址就变成了2^10-2=1022个主机地址。

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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192.168.0.0/23或者192.168.0.0/22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。

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那么可能就有朋友会觉得奇怪了,A公司使用的是192.168.1.0/24,B公司使用的也是192.168.1.0/24,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192.168.0.0/24或者192.168.1.0/24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。

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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

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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,2n-2≥500,N=9,32位-9位=23位,子网掩码为255.255.254.0(/23),选用192.168.0.0/23,可用地址192.168.0.1~192.168.1.254

办公网终端100个,按照VLSM方法,向主机位借位,2n-2≥100,N=7,32位-7位=25位,子网掩码为255.255.255.128(/25),选用192.168.2.0/25,可用地址:192.168.2.1~192.168.2.126

服务器网终端10个,按照VLSM方法,向主机位借位,2n-2≥10,N=4,32位-4位=28位,子网掩码为255.255.255.240(/28),选用192.168.2.128/28,可用地址:192.168.2.129~142

(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10.0.0.0/22,范围10.0.0.1~10.0.3.254

办公网终端100个,给予一个C类地址/24位,使用10.0.4.0/24,范围10.0.4.1~10.0.4.254

服务器网终端10个,给予一个C类地址/24为,使用10.0.5.0/24,范围10.0.5.1~10.0.5.254

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400~500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192.168.0.0/25,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,10.0.0.0/24,172.16.0.0/24,又或者192.168.0.0/16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

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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/22~/26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:192.168.10.0/24,监控网:192.168.11.0/24,这个表示是办公网规划成192.168.10.0的网段(主机范围1~254),监控网规划成192.168.11.0(主机范围1~254),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169.254.0.0/16、127.0.0.0/8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。