1 IP地址

1.1 IP地址含义

IP地址(Internet Protocol Address互联网国际地址)是一种在Internet上的给主机编址的方式，IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。

IP地址给每个连接在Internet上的主机分配的一个32bit地址，IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4段“8位二进制数”(也就是4个字节)。例如一个采用二进制形式的IP地址是"00001010 00000000 00000000 00000001"，这么长的地址，人们处理起来也太费劲了。为了方便人们的使用，IP地址用"点分十进制表示法"，IP地址转换成用十进制数字表示，每段数字范围为0～255，段与段之间使用符号".“分开不同的字节。于是，上面的IP地址可以表示为"10.0.0.1”。

常见的IP地址，分为IPv4与IPv6两大类。IPv4就是有4段数字，每一段最大不超过255。IPv4的范围：0.0.0.0~255.255.255.255。由于互联网的蓬勃发展，IP位址的需求量愈来愈大，全球43亿个IPv4地址已全部分配完毕。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。IPv6采用128位地址长度。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不了的其它问题。

1.2 IP地址的构成

IP地址由网络号与主机号两部分组成，一部分为网络地址，另一部分为主机地址。IP地址分为5类A、B、C、D、E，它们适用的类型分别为:大型网络、中型网络、小型网络、多目地址、备用。

网络号的位数直接决定了可以分配的网络数（计算方法2^网络号位数); 主机号的位数则决定了网络中最大的主机数(计算方法2^主机号位数-2)。然而，由于整个互联网所包含的网络规模可能比较大，也可能比较小，设计者最后聪明的选择了一种灵活的方案：将IP地址空间划分成不同的类别，每一类具有不同的网络号位数和主机号位数。

• 网络部分：用来标识一个网络。代表P地址所属网络
• 主机部分：用来区分一个网络内的不同主机，能唯一标识网段上的某台设备
  
  IP地址通常分为三类：
  A类：IP地址的前8位表示网络号，后24位表示主机号。
  其有效范围为：1.0.0.1~126.255.255.254。
  B类：IP地址的前16位表示网络号，后16位表示主机号。
  其有效范围为：128.0.0.1~191.255.255.254。
  C类：IP地址的前24位表示网络号，后8位表示主机号。
  其有效范围为：192.0.0.1~222.255.255.254。
  

1.3 IP地址的分类

(1) A类IP地址

一个A类IP地址是指，在IP地址的四段号码中，第一段号码为网络号码，剩下的三段号码为本地计算机的号码。如果用二进制表示IP地址的话，A类IP地址就由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”。A类IP地址中网络的标识长度为8位，主机标识的长度为24位，A类网络地址数量较少，有126个网络，每个网络可以容纳主机数达1600多万台。
A类IP地址 地址范围1.0.0.0到127.255.255.255（二进制表示为：00000001 00000000 00000000 00000000 - 01111110 11111111 11111111 11111111），最后一个是广播地址。A类IP地址的子网掩码为255.0.0.0，每个网络支持的最大主机数为2的24次方-2=16777214台。
上边计算减去2的原因是：每一个字节都为0的地址（0.0.0.0）对应于当前主机；IP地址中的每一个字节都为1的IP地址（255．255．255．255）是当前子网的广播地址；

(2) B类IP地址

一个B类IP地址是指，在IP地址的四段号码中，前两段号码为网络号码。如果用二进制表示IP地址的话，B类IP地址就由2字节的网络地址和2字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“10”。B类IP地址中网络的标识长度为16位，主机标识的长度为16位，B类网络地址适用于中等规模的网络，有16384个网络，每个网络所能容纳的计算机数为6万多台。
B类IP地址地址范围128.0.0.0-191.255.255.255（二进制表示为：10000000 00000000 00000000 00000000----10111111 11111111 11111111 11111111），最后一个是广播地址。B类IP地址的子网掩码为255.255.0.0，每个网络支持的最大主机数为2的16次方-2=65534台。

(3) C类IP地址

一个C类IP地址是指，在IP地址的四段号码中，前三段号码为网络号码，剩下的一段号码为本地计算机的号码。如果用二进制表示IP地址的话，C类IP地址就由3字节的网络地址和1字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。C类IP地址中网络的标识长度为24位，主机标识的长度为8位，C类网络地址数量较多，有209万余个网络。适用于小规模的局域网络，每个网络最多只能包含254台计算机。
C类IP地址范围192.0.0.0-223.255.255.255（二进制表示为: 11000000 00000000 00000000 00000000 - 11011111 11111111 11111111 11111111）。C类IP地址的子网掩码为255.255.255.0，每个网络支持的最大主机数为2的8次方-2=254台。

(4) D类IP地址

D类IP地址在历史上被叫做多播地址(multicast address)，即组播地址。在以太网中，多播地址命名了一组应该在这个网络中应用接收到一个分组的站点。多播地址的最高位必须是“1110”，范围从224.0.0.0到239.255.255.255。

(5) 特殊的IP地址

1、 网络地址。网络地址用于表示网络本身。具有正常的网络号部分，而主机部分为全0.比如129.5.0.0就是一个B类的网络地址。每一个字节都为0的地址（“0.0.0.0”）对应于当前主机；
2、广播地址。广播地址用于向网络中的所有设备进行广播。具有正常的网络号部分，而主机号部分为全1。如，129.5.255.255就是一个B类的广播地址。
3、 255.255.255.255称为有限广播地址，用于本网广播。
4、会送地址。网络地址不能以127开头，在地址中127保留给系统作诊断使用，称为会送地址。如，127.0.0.1用于回路测试。也可以代表本机IP地址，用“http://127.0.0.1”就可以测试本机中配置的Web服务器。
5、私有地址。只能在局域网中使用，不能再Internet中使用的ip地址称为私有地址：
10.0.0.0~10.255.255.255表示1个A类地址
172.16.0.0~172.31.255.255表示16个B类地址
192.168.0.0~192.168.255.255表示256个C类地址
6、IP地址中凡是以“11110”开头的E类IP地址都保留用于将来和实验使用。

2 子网划分

子网的划分，实际上就是设计子网掩码的过程。子网掩码(subnet mask)又叫网络掩码、地址掩码、子网络遮罩，它是用来分割子网和区分哪些是同一个网段的，哪些不是同一网段的，通过子网掩码可得知，IP地址的网络位。子网掩码不能单独存在，它必须结合IP地址一起使用。

2.1 子网掩码

首先我们要了解IP地址：IP地址都是由网络号+主机号组成，IP地址总共是32位二进制数表示，每8位为一节，总共4节，日常使用中每节用一个十进制表示（0-255），其中前面n位表示网络号，后面32-n位表示主机号，n则是由子网掩码来决定。

在子网掩码中用1和0来分别网络号位和主机号位，其中是1的表示是网络位，0表示主机位，前面说的IP中前面的N位表示网络号，后面的32-N位才是主机号，所以子网掩码总是前面一段全是1，后面一段全是0。我们的IP范围就是主机号范围。所有主机号中的最后一个主机号为广播地址。所以，IP地址位数=网络位数+主机位数=32位。子网掩码的位数就是网络的位数。

子网掩码是由4个十进制数组成的数值"中间用"."分隔，如255.255.255.0。若将它写成二进制的形式为：11111111.11111111.11111111.00000000，其中为"1"的位分离出网络ID，为"0"的位分离出主机ID，也就是通过将IP地址与子网掩码进行与逻辑操作，得出网络号。
例如，假设IP地址为192.160.4.1，子网掩码为255.255.255.0，则网络ID为192.160.4.0,主机ID为0.0.0.1。计算机网络ID的不同，则说明他们不在同一个物理子网内，需通过路由器转发才能进行数据交换。子网掩码也是32位二进制数字，在子网掩码中，对应于网络地址的部分用1表示，主机地址部分用0表示。

每类地址具有默认的子网掩码：对于A类为255.0.0.0，对于B类为255.255.0.0，对于C类为255.255.255.0。除了使用上述的表示方法之外，还有使用子网掩码中"1"的位数来表示的，在默认情况下，A类地址为8位，B类地址为16位，C类地址为24位。例如，A类的某个地址为 12.10.10.3/8，这里的最后一个"8"说明该地址的子网掩码为8位，而199.42.26.0/28表示网络199.42.26.0的子网掩码位数有28位。

2.2 根据IP地址和掩码计算

一个主机的IP地址是172.16.10.1/16，掩码是255.255.0.0，要求计算这个主机所在网络的网络地址和广播地址以及可用地址数。

(1) 根据子网掩码可以分割网络号+主机号

255.255.0.0 转二进制：
11111111 11111111 00000000 00000000
网络号有16位，主机号有16位

(2) 计算网络地址

网络地址就是：把IP地址转成二进制和子网掩码进行与运算

10101100 00010000 00001010 00000001 #IP地址
11111111 11111111 00000000 00000000 #子网掩码
10101100 00010000 00000000 00000000 #网络地址
即：172.16.0.0/16

(3) 计算广播地址

广播地址：网络地址的主机位全部变成1 ，11111111 11111111
即：172.16.255.255/16

(4) 计算地址数

IP的地址数：2^16=65536；
可用的IP地址数：2^16-2=65534

2.3 子网划分的原理与步骤

原理
IP地址由网络位+主机位组成，子网划分就是借用现有网段的主机位的最左边某几位作为子网位，划分出多个子网。

（1）把原来有类网络IPv4地址中的“网络号”部分向“主机号”部分借位
（2）把一部分原来属于“主机号”部分的位变成“网络号”的一部分（通常称之为“子网号”）。

因此IP地址进行转变：网络号+主机号 变成 网络号+子网号（m）+主机号（n）
划分后子网数量：2^m
划分后每个子网可用主机数：2^n-2（主机号全为0和全为1（指二进制）的ip地址分别为网络地址与广播地址，是不能分配给某个特定的主机使用的）

步骤
（1）确定所需子网数2^m，
（2）确定每个子网可用主机数2^n-2
（3）确定需像主机号部分借多少位（m），才能满足需要求
（4）根据主机数可得知子网地址空间大小2n
（5）进行地址划分

2.4 子网划分的注意事项

1、 在子网划分时，不仅要考虑目前需要，还应该了解将来需要多少子网和主机。子网掩码使用较多的主机位，可以得到更多的子网，节约了IP地址资源，若将来需要更多子网时，不用再重新分配IP地址，但每个子网的主机数量有限；反之，子网掩码使用较少的主机位，每个子网的主机数量允许更大的增长，但可用的子网数量有限。

2、一般来说，一个网络中的节点数太多，网络会因为广播通信而饱和。所以，网络中的主机数量的增长是有限的，也就是说，在条件允许的情况下，应该将更多的主机位用于子网位。