IP地址及其分类、子网掩码、网络位和主机位计算
1.IP地址
IP 地址是互联网协议地址（Internet Protocol Address）的简称，用于标识网络上的设备并实现数据包在网络间的路由。
2.IP地址的组成
IP 地址由两部分组成：网络位+主机位
注：下面描述主要以IPv4地址进行。
如上图所示， IP 地址由两部分组成，第一部分为网络位，第二部分为主机位，它由4个字节（32bit）组成。
网络位的作用是标明一个IP地址到底处于哪个网络，如果两个IP地址的网络位一样，那么这两个IP地址就属于同一个子网。 主机位的作用是衡量网络的大小，主机位数量越多，网络越大。
主机位全1，代表这是一个广播地址，表明了一个网络的广播地址。
3.IP地址的分类
IP 地址有不同的格式和分类方式，根据不同的版本，目前最常用的是IPv4和IPv6两种版本。
3.1 IPv4地址
IPv4 地址由 32位二进制数组成，例如：11000000 11110000 00000000 00000000，为了便于配置通常表示成点分十进制 例如：192.168.1.1，即每8位为一组，用十进制数表示，组之间用点.分隔。
IPv4地址根据主机位的不同被分为以下几类：
| 地址类别 | 特点描述 | 备注 |
|---|---|---|
| A类地址 |
地址范围：1.0.0.0 到 126.255.255.255 默认子网掩码：255.0.0.0 第一个字节的范围从1到126，其中127.x.x.x保留用作环回地址。 A类地址用于大型网络，可以支持大约1600万个主机。 |
24位主机位 |
| B类地址 |
地址范围：128.0.0.0 到 191.255.255.255 默认子网掩码：255.255.0.0 第一个字节的范围从128到191。 B类地址适用于中等规模的网络，可以支持大约65000个主机。 |
16位主机位 |
| C类地址 |
地址范围：192.0.0.0 到 223.255.255.255 默认子网掩码：255.255.255.0 第一个字节的范围从192到223。 C类地址用于小型网络，可以支持大约254个主机（因为网络地址和广播地址各占一个）。 |
8位主机位 |
| D类地址 |
地址范围：224.0.0.0 到 239.255.255.255 D类地址用于组播（Multicast），不指向特定的网络或主机。 |
|
| E类地址 |
地址范围：240.0.0.0 到 255.255.255.255 E类地址保留用于实验和研究目的，但在实际使用中并不常见。其中，255.255.255.255用于广播地址。 |
3.2 IPv6地址
IPv6地址由128位二进制数组成，例如：001000000000000100001101101110001000010110100011000000000000000000000000000000000100010100010111000000011011100000111001100110100，IPv6地址的表示方法更为复杂，通常由八组四位十六进制数组成，以:分隔，例如将其转换为16进制，表示为2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。
IPv6地址不再按照A类、B类、C类等分类，而是采用了不同的地址类型，如单播地址、组播地址、任播地址等。IPv6地址的分配和管理更加灵活和高效，以应对互联网规模的快速增长和地址空间的需求。
4.私有地址
私有地址（Private Address）是在本地局域网（LAN）中使用的IP地址，与之对应的是公有地址（Public Address），后者是在互联网上使用的 IP 地址。私有地址主要用于企业内部网络或家庭网络的设备分配，以确保这些设备在局域网内部能够相互通信。由于私有地址在公网上是不可见的，它们不会与互联网上的其他设备发生冲突，从而节省了公网 IP 地址资源。
# A类、B类和C类私有地址的起始和结束IP地址如下表：
| 私有地址类别 | 起始地址 | 结束地址 |
|---|---|---|
| A类私有地址 | 10.0.0.0 | 10.255.255.255 |
| B类私有地址 | 172.16.0.0 | 172.31.255.255 |
| C类私有地址 | 192.168.0.0 | 192.168.255.255 |
5.子网掩码
子网掩码用于确定 IP 地址中的哪一部分是网络地址，哪一部分是主机地址。这是通过子网掩码中的1（表示网络部分）和0（表示主机部分）来实现的。当 IP 地址与子网掩码进行逻辑与（AND）操作时，结果即为网络地址。
在大型网络中，使用子网掩码可以将一个大的网络划分为多个小的子网。每个子网可以有自己的网络地址和主机地址范围，这有助于减少广播域的大小，提高网络性能，并增强网络的安全性。通过改变子网掩码中的0到1的转换点，可以调整子网的大小和数量。
注：子网掩码的特征
根据子网掩码来判断网络位 它和I P 地址的表示方法一样，但必须是连续的1和0组成 前面必须是连续的1
A、B、C类网络默认子网掩码如下：
| 类别 | 默认子网掩码点分十进制 | 二进制表示 |
|---|---|---|
| A类 | 255.0.0.0 | 11111111 00000000 00000000 00000000 |
| B类 | 255.255.0.0 | 11111111 11111111 00000000 00000000 |
| C类 | 255.255.255.0 | 11111111 11111111 11111111 00000000 |
子网掩码的表示，除了上面的点分十进制表示，如：255.255.0.0 外，也可以用CIDR表示法。
CIDR，即 Classless Inter-Domain Routing ，无类域间路由，它将子网掩码的长度表示为IP地址后面跟随的斜杠和一个数字（如192.168.1.0/24），其中数字表示子网掩码中1的个数。
子网掩码和斜杠表示法之间的关系如下：
| 子网掩码（十进制） | 子网掩码（二进制） | CIDR值 |
|---|---|---|
| 255.0.0.0 | 11111111.00000000.00000000.00000000 | /8 |
| 255.128.0.0 | 11111111.10000000.00000000.00000000 | /9 |
| 255.192.0.0 | 11111111.11000000.00000000.00000000 | /10 |
| 255.224.0.0 | 11111111.11100000.00000000.00000000 | /11 |
| 255.240.0.0 | 11111111.11110000.00000000.00000000 | /12 |
| 255.248.0.0 | 11111111.11111000.00000000.00000000 | /13 |
| 255.252.0.0 | 11111111.11111100.00000000.00000000 | /14 |
| 255.254.0.0 | 11111111.11111110.00000000.00000000 | /15 |
| 255.255.0.0 | 11111111.11111111.00000000.00000000 | /16 |
| 255.255.128.0 | 11111111.11111111.10000000.00000000 | /17 |
| 255.255.192.0 | 11111111.11111111.11000000.00000000 | /18 |
| 255.255.224.0 | 11111111.11111111.11100000.00000000 | /19 |
| 255.255.240.0 | 11111111.11111111.11110000.00000000 | /20 |
| 255.255.248.0 | 11111111.11111111.11111000.00000000 | /21 |
| 255.255.252.0 | 11111111.11111111.11111100.00000000 | /22 |
| 255.255.254.0 | 11111111.11111111.11111110.00000000 | /23 |
| 255.255.255.0 | 11111111.11111111.11111111.00000000 | /24 |
| 255.255.255.128 | 11111111.11111111.11111111.10000000 | /25 |
| 255.255.255.192 | 11111111.11111111.11111111.11000000 | /26 |
| 255.255.255.224 | 11111111.11111111.11111111.11100000 | /27 |
| 255.255.255.240 | 11111111.11111111.11111111.11110000 | /28 |
| 255.255.255.248 | 11111111.11111111.11111111.11111000 | /29 |
| 255.255.255.252 | 11111111.11111111.11111111.11111100 | /30 |
# 不合法的子网掩码示例
6.子网划分
6.1为什么要进行子网划分？
子网划分（Subnetting）是计算机网络中一种重要的技术，主要用于提高IP地址的利用率、增强网络管理的灵活性和安全性。以下是进行子网划分的主要原因：
1）提高IP地址利用率
在 IPv4 地址空间日益紧张的情况下，子网划分允许一个较大的网络被分割成多个较小的子网，每个子网可以独立地分配 IP 地址。这样，可以更有效地利用IP地址空间，避免浪费。
2）增强网络管理的灵活性
通过子网划分，可以更容易地管理网络。例如，可以将不同部门或地理位置的用户划分到不同的子网中，这样可以根据需要单独配置每个子网的路由、安全策略等。
3）提高网络安全性
子网划分有助于增强网络的安全性。通过将网络划分为多个子网，可以限制不同子网之间的通信，减少潜在的攻击面。
可以在子网边界上部署防火墙、入侵检测系统等安全设备，以进一步保护网络免受攻击。
4）支持广播域隔离
在一个大的网络中，广播流量可能会占用大量的网络资源，并影响网络性能。通过子网划分，可以将广播流量限制在每个子网内部，减少对其他子网的影响。这有助于优化网络性能，提高网络的可扩展性。
5）支持VLAN
在以太网环境中，VLAN 技术通常与子网划分结合使用。VLAN 允许将物理上分散的设备逻辑上划分到同一个虚拟网络中，而子网划分则允许为这些虚拟网络分配独立的 IP 地址空间。这种结合使用的方式进一步增强了网络管理的灵活性和安全性。
6.2子网划分必须明确的几个问题
要划分子网，先需明确以下几点：
1）需要创建多少个子网
这个需求通常是由网络设计或业务需求决定的。一旦选定了子网掩码，能够创建的实际子网数量就确定了。子网数量取决于子网掩码中用于子网划分的位数。例如，如果原始网络是C类网络（默认子网掩码为255.255.255.0），并且你决定使用子网掩码255.255.255.192（即最后8位中前两位用于子网划分），那么你可以创建4个子网（22=4）。
换算公式如下：
子网数量=2n，其中，n表示借用的主机位数
2）每个子网需要包含多少个主机
它也是由业务需求决定，同样受到子网掩码的限制。接上例，每个子网可以有62个可用主机地址（26 −2=62，其中6位用于主机地址，减去网络地址和广播地址）。
换算公式如下：
有效主机数量=2m-2，其中，m表示没有借用的主机位数
3）有哪些合法的子网
合法的子网取决于选择的子网掩码和原始网络地址。在上面的例子中，如果原始网络地址是192.168.1.0，那么使用子网掩码255.255.255.192后，合法的子网将是：
192.168.1.0/26
192.168.1.64/26
192.168.1.128/26
192.168.1.192/26
实际上，合法子网的步长等于256-192=64，即子网掩码为192时，步长为64。从0开始不断增加，直到到达子网掩码值，中间的结果就是子网，即0、64、128和192。
4）每个子网的广播地址是多少
每个子网的广播地址是该子网中主机地址部分的所有位都为1的地址（主机位全为1就是该子网的广播地址）。
# 一般计算方法如下：
广播地址总是下一个子网前面的数，上例确定了子网分别为0、64、128和192，这样，子网0的广播地址为63，因为下一个子网为64；子网64的广播地址为127，因为下一个子网为128，以此类推。但要记住，最后一个子网的广播地址总是255。
这样，在上例中，四个子网的广播地址分别是：
192.168.1.63
192.168.1.127
192.168.1.191
192.168.1.255
5）每个子网包含哪些主机地址
每个子网包含的主机地址范围是从子网地址的第一个可用主机地址（即子网地址加1）到广播地址减1的所有地址。
在上面的例子中，主机地址范围分别是：
| 子网 | 主机地址范围 | 子网广播地址 |
|---|---|---|
| 192.168.1.0/26 | 192.168.1.1 到 192.168.1.62 | 192.168.1.63 |
| 192.168.1.64/26 | 192.168.1.65 到 192.168.1.126 | 192.168.1.127 |
| 192.168.1.128/26 | 192.168.1.129 到 192.168.1.190 | 192.168.1.191 |
| 192.168.1.192/26 | 192.168.1.193 到 192.168.1.254 | 192.168.1.255 |
6.3子网划分实际案例
# 实例1：网络地址=192.168.10.0 子网掩码=255.255.255.240
分析过程：
1）可分多少个子网？
240转成二进制为11110000，即借用主机位为4位，n=4，则子网数量=24=16。
2）每个子网有多少台主机？
11110000，没有借用的主机位也为4，m=4，则可用主机数==24-2=14。
3）有哪些合法的子网？
合法子网步长=256-240=16，则合法的子网分别是：
192.168.10.0/28
192.168.10.16/28
192.168.10.32/28
192.168.10.48/28
192.168.10.64/28
192.168.10.80/28
192.168.10.96/28
192.168.10.112/28
192.168.10.128/28
192.168.10.144/28
192.168.10.160/28
192.168.10.176/28
192.168.10.192/28
192.168.10.208/28
192.168.10.224/28
192.168.10.240/28
4）每个子网的广播地址是什么？
在下一个子网之前的数字中，所有主机位的取值都为1，是当前子网的广播地址。对于子网0，下一个子网为16，因此其广播地址为15，按这种算法，分别得到：
15，31，47，63，79，95，111，127，143，159，175，191，207，223，239，255
5）每个子网包含哪些合法的主机地址?
合法的主机地址为子网地址和广播地址之间的数字。
| 子网 | 主机地址范围 | 子网广播地址 |
|---|---|---|
| 192.168.10.0/28 | 192.168.10.1~192.168.10.14 | 192.168.10.15 |
| 192.168.10.16/28 | 192.168.10.17~192.168.10.30 | 192.168.10.31 |
| 192.168.10.32/28 | 192.168.10.33~192.168.10.46 | 192.168.10.47 |
| 192.168.10.48/28 | 192.168.10.49~192.168.10.62 | 192.168.10.63 |
| 192.168.10.64/28 | 192.168.10.65~192.168.10.78 | 192.168.10.79 |
| 192.168.10.80/28 | 192.168.10.81~192.168.10.94 | 192.168.10.95 |
| 192.168.10.96/28 | 192.168.10.97~192.168.10.110 | 192.168.10.111 |
| 192.168.10.112/28 | 192.168.10.113~192.168.10.126 | 192.168.10.127 |
| 192.168.10.128/28 | 192.168.10.129~192.168.10.142 | 192.168.10.143 |
| 192.168.10.144/28 | 192.168.10.145~192.168.10.158 | 192.168.10.159 |
| 192.168.10.160/28 | 192.168.10.161~192.168.10.174 | 192.168.10175 |
| 192.168.10.176/28 | 192.168.10.177~192.168.10.190 | 192.168.10.191 |
| 192.168.10.192/28 | 192.168.10.193~192.168.10.206 | 192.168.10.207 |
| 192.168.10.208/28 | 192.168.10.209~192.168.10.222 | 192.168.10.223 |
| 192.168.10.224/28 | 192.168.10.225~192.168.10.238 | 192.168.10.239 |
| 192.168.10.240/28 | 192.168.10.241~192.168.10.254 | 192.168.10.255 |
# 实例2：
某公司申请到网络地址为192.30.20.0现在要划分5个部门，最大的一个部门有28台计算机，每个部门在单独子网中，则子掩码为多少，5个部门的子网地址分别是什么。
分析过程：
5个部门，至少需要5个子网，则主机位需要借n=3位，23=8>5（22=4<5），剩下没有借用的主机位m=8-3=5，25-2=32>28，满足需求。
子网掩码为255.255.255.224（二进制表示为11111111.11111111.11111111.11100000），则合法子网步长=256-224=32。
这样可以得到子网地址如下：
| 子网 | 主机地址范围 | 子网广播地址 |
|---|---|---|
| 192.30.20.0/27 | 192.30.20.1~192.30.20.30 | 192.30.20.31 |
| 192.30.20.32/27 | 192.30.20.33~192.30.20.62 | 192.30.20.63 |
| 192.30.20.64/27 | 192.30.20.65~192.30.20.94 | 192.30.20.95 |
| 192.30.20.96/27 | 192.30.20.97~192.30.20.126 | 192.30.20.127 |
| 192.30.20.128/27 | 192.30.20.129~192.30.20.158 | 192.30.20.159 |
| 192.30.20.160/27 | 192.30.20.161~192.30.20.190 | 192.30.20.191 |
| 192.30.20.192/27 | 192.30.20.193~192.30.20.222 | 192.30.20.223 |
| 192.30.20.224/27 | 192.30.20.225~192.30.20.254 | 192.30.20.255 |
7.补充
最后，关于一些特殊的 IP 地址做一个补充：
| 特殊IP地址（范围） | 含义（功能） |
|---|---|
| 127.0.0.0 ~ 127.255.255.255 | 本地回环地址，代表自己 |
| 0.0.0.0 | 所有，代表任何网络 |
| 255.255.255.255 | 广播地址 |
169.254.x.x |
无法获取DHCP服务器的地址时临时指定的APIPA地址 |
| FF-FF-FF-FF-FF-FF | MAC地址为全F时代表广播地址 |
| 01-00-5e-xx-xx-xx | MAC地址48位（6字节）的前3个字节为01-00-5E时表示组播地址 |
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