IP地址与子网掩码

                                 IP地址与子网掩码
一、IP地址与网络分类
(1)IP地址
我们知道，不同的物理网络技术有不同的编址方式；不同物理网络中的主机，有不同的物理网络地址。网间网技术是将不同物理网络技术统一起来的高层软件技术。网间网技术采用一种全局通用的地址格式，为全网的每一网络和每一主机都分配一个网间网地址，以此屏蔽物理网络地址的差异。
IP协议提供一种全网间网通用的地址格式，并在统一管理下进行地址分配，保证一个地址对应一台网间网主机（包括网关），这样物理地址的差异被IP层所屏蔽。IP层所用到的地址叫做网间网地址，又叫IP地址。它由网络号和主机号两部分组成，统一网络内的所有主机使用相同的网络号，主机号是唯一的。
IP地址是一个32为的二进制数，分成4个字段，每个字段8位。
(2)三类主要的网络地址
我们知道，从LAN到WAN，不同种类网络规模相差很大，必须区别对待。因此按网络规模大小，将网络地址分为主要的三类，如下：
A类：
0 1 2 3 8 16 24
3 1 0网络号主机号
B类：
1 0网络号主机号
C类：
1 1 0网络号主机号
A类地址用于少量的（最多27个）主机数大于216的大型网，每个A类网络可容纳最多224台主机；B类地址用于主机数介于28～216之间数量不多不少的中型网，B类网络最多214个；C类地址用于每个网络只能容纳28台主机的大量小型网，C类网络最多221个。
除了以上A、B、C三个主类地址外，还有另外两类地址，如下：
D类：
1 1 1 0多目地址
E类：
1 1 1 1 0留待后用
其中多目地址（multicast address）是比广播地址稍弱的多点传送地址，用于支持多目传输技术。E类地址用于将来的扩展之用。
(3)TCP/IP规定网络地址
除了一般地标识一台主机外，还有几种具有特殊意义的特殊形式。
*广播地址
TCP/IP规定，主机号全为“1”的网络地址用于广播之用，叫做广播地址。所谓广播，指同时向网上所有主机发送报文。
*有限广播
前面提到的广播地址包含一个有效的网络号和主机号，技术上称为直接广播（directed boradcasting）地址。在网间网上的任何一点均可向其他任何网络进行直接广播，但直接广播有一个缺点，就是要知道信宿网络的网络号。
有时需要在本网络内部广播，但又不知道本网络网络号。TCP/IP规定，32比特全为“1”的网间网地址用于本网广播，该地址叫做有限广播地址（limited broadcast address）。
*“0”地址
TCP/IP协议规定，各位全为“0”的网络号被解释成“本”网络。
*回送地址
A类网络地址127是一个保留地址，用于网络软件测试以及本地机进程间通信，叫做回送地址（loopback address）。无论什么程序，一旦使用回送地址发送数据，协议软件立即返回之，不进行任何网络
传输。
TCP/IP协议规定，一、含网络号127的分组不能出现在任何网络上；二、主机和网关不能为该地址广播任何寻径信息。由以上规定可以看出，主机号全“0”全“1”的地址在TCP/IP协议中有特殊含义，不能用作一台主机的有效地址。
二、子网掩码
(1)子网TCP/IP网间网技术产生于大型主流机环境中，它能发展到今天的规模是当初的设计者们始料未及的。网间网规模的迅速扩展对IP地址模式的威胁并不是它不能保证主机地址的唯一性，而是会带来两方面的负担：第一，巨大的网络地址管理开销；第二，网关寻径急剧膨胀。其中第二点尤为突出，寻径表的膨胀不仅会降低网关寻径效率（甚至可能使寻径表溢出，从而造成寻径故障），更重要的是将增加内外部路径刷新时的开销，从而加重网络负担。
因此，迫切需要寻求新的技术，以应付网间网规模增长带来的问题。仔细分析发现，网间网规模的增长在内部主要表现为网络地址的增减，因此解决问题的思路集中在：如何减少网络地址。于是IP网络
地址的多重复用技术应运而生。通过复用技术，使若干物理网络共享同一IP网络地址，无疑将减
少网络地址数。
子网编址（subnet addressing）技术，又叫子网寻径（subnet routing），英文简称subnetting，是最广泛使用的IP网络地址复用方式，目前已经标准化，并成为IP地址模式的一部分。
一般的，32位的IP地址分为两部分，即网络号和主机号，我们分别把他们叫做IP地址的“网间网部分”和“本地部分”。子网编址技术将本地部分进一步划分为“物理网络”部分和“主机”部分，如图：
网间网部分物理网络主机
|←网间网部分→|←────本地部分─────→|
其中“物理网络”用于标识同一IP网络地址下的不同物理网络，既是“子网”。
(2)子网掩码IP协议标准规定：每一个使用子网的网点都选择一个32位的位模式，若位模式中的某位置1，则对应IP地址中的某位为网络地址（包括网间网部分和物理网络号）中的一位；若位模式中的
某位置0，则对应IP地址中的某位为主机地址中的一位。例如位模式：
11111111 11111111 11111111 00000000中，前三个字节全1，代表对应IP地址中最高的三个字节为网络地址；后一个字节全0，代表对应IP地址中最后的一个字节为主机地址。这种位模式叫做子网模（subnet mask）或“子网掩码”。
为了使用的方便，常常使用“点分整数表示法”来表示一个IP地址和子网掩码，例如B类地址子网掩码（11111111 11111111 1111111100000000）为：
255.255.25.0 IP协议关于子网掩码的定义提供一种有趣的灵活性，允许子网掩码中的“0”和“1”位不连续。但是，这样的子网掩码给分配主机地址和理解寻径表都带来一定困难，并且，极少的路由器支持在子网中使用低序或无序的位，因此在实际应用中通常各网点采用连续方式的子网掩码。像255.255.255.64和255.255.255.160等一类的子网掩码不推荐使用。
(3)子网掩码与IP地址子网掩码与IP地址结合使用，可以区分出一个网络地址的网络号和主机号。
例如：有一个C类地址为：
192．9．200．13其缺省的子网掩码为：
255．255．255．0则它的网络号和主机号可按如下方法得到：
①将IP地址192．9．200．13转换为二进制11000000 00001001 11001000 00001101
②将子网掩码255．255．255．0转换为二进制11111111 11111111 11111111 00000000
③将两个二进制数逻辑与（AND）运算后得出的结果即为网络部分
11000000 00001001 11001000 00001101 AND 11111111 11111111 11111111 00000000
11000000 00001001 11001000 00000000结果为192.9.200.0，即网络号为192.9.200.0。
④将子网掩码取反再与IP地址逻辑与（AND）后得到的结果即为主机部分
11000000 00001001 11001000 00001101 AND 00000000 00000000 00000000 11111111=
00000000 00000000 00000000 00001101结果为0.0.0.13，即主机号为13。
(4)子网掩码与IP地址子网掩码与IP地址结合使用，可以区分出一个网络地址的网络号和主机号。
例如：有一个C类地址为：
192．9．200．13 其缺省的子网掩码为：
255．255．255．0 则它的网络号和主机号可按如下方法得到：
①将IP地址192．9．200．13转换为二进制11000000 00001001 11001000 00001101
②将子网掩码255．255．255．0转换为二进制11111111 11111111 11111111 00000000
③将两个二进制数逻辑与（AND）运算后得出的结果即为网络部分
11000000 00001001 11001000 00001101 AND 11111111 11111111 11111111
00000000 11000000 00001001 11001000 00000000结果为192.9.200.0，即网络号为192．9．200．0。
④将子网掩码取反再与IP地址逻辑与（AND）后得到的结果即为主机部分
11000000 00001001 11001000 00001101 AND 00000000 00000000 00000000
11111111 00000000 00000000 00000000 00001101 结果为0.0.0.13，即主机号为13。
三、子网划分与实例根据以上分析，建议按以下步骤和实例定义子网掩码。
1、将要划分的子网数目转换为2的m次方。如要分8个子网，8=23。
2、取上述要划分子网数的2的m次方的幂。如23，即m=3。
3、将上一步确定的幂m按高序占用主机地址m位后转换为十进制。如m为3 则是11100000，转换为十进制为224，即为最终确定的子网掩码。如果是C类网，则子网掩码为255.255.255.224；如果是B类网，则子网掩码为255.255.224.0；如果是C类网，则子网掩码为255.224.0.0。
在这里，子网个数与占用主机地址位数有如下等式成立：2m=n。其中，m表示占用主机地址的位数；n表示划分的子网个数。根据这些原则，将一个C类网络分成4个子网。若我们用的网络号为192．9．200，则该C类网内的主机IP地址就是192.9.200.1～192.9.200.254（因为全“0”和全“1”的主机地址有特殊含义，不作为有效的IP地址），现将网络划分为4个部分，按照以上步骤：
4=22，取22的幂，即2，则二进制为11，占用主机地址的高序位即为11000000，转换为十进制为192。这样就可确定该子网掩码为：192.9.200.192，4个子网的IP地址范围分别为：
二进制十进制
① 11000000 00001001 11001000 00000001
11000000 00001001 11001000 00111110
192．9．200．1
192．9．200．62
② 11000000 00001001 11001000 01000001
11000000 00001001 11001000 01111110
192．9．200．65
192．9．200．126
③ 11000000 00001001 11001000 10000001
11000000 00001001 11001000 10111110
192．9．200．129
192．9．200．190
④ 11000000 00001001 11001000 11000001
11000000 00001001 11001000 11111110
192．9．200．193
192．9．200．254
在此列出A、B、C三类网络子网数目与子网掩码的转换表，以供参考。
A类：
子网数目    占用位数       子网掩码       子网中主机数
  2             1       255．128．0．0    8,388,606
  4             2       255．192．0．0    4,194,302
  8             3       255．224．0．0    2,097,150
16             4       255．240．0．0    1,048,574
32             5       255．248．0．0    524,286
64             6       255．252．0．0    262,142
128          7       255．254．0．0    131,070
128          8       255．255．0．0    65,534

B类：
子网数目    占用位数    子网掩码       子网中主机数
2          1       255．255．128．0       32766
4          2       255．255．192．0       16382
8          3       255．255．224．0       8190
  16          4       255．255．240．0       4094
  32          5       255．255．248．0       2046
  64          6       255．255．252．0       1022
  128          7       255．255．254．0       510
  256          8       255．255．255．0       254

C类：
子网数目占用位数       子网掩码             子网中主机数
  2          1          255．255．255．128          126
  4          2          255．255．255．192          62
  8          3          255．255．255．224          30
16          4          255．255．255．240          14
32          5          255．255．255．248          6
64          6          255．255．255．252          2