网络基础 - 网段划分篇


我们知道,IP 地址(IPv4 地址)由 “网络标识(网络地址)” 和 “主机标识(主机地址)” 两部分组成,例如 192.168.128.10/24,其中的 “/24” 表示从第 1 位开始到多少位属于网络标识,那么,剩余位就属于主机标识了,但是,究竟从第几位开始到第几位算是网络标识,又是从第几位开始到第几位算是主机标识呢? 关于这点,有约定俗称的两种类型,最初二者以分类进行区别,而现在基本以子网掩码(网络前缀)区分,不过,大家请注意,在有些情况下依据部分功能、系统和协议的需求,前一种的方法依然存在

一、IP 地址的分类

1、A 类地址

首位是 “0” ,从第 1 位到第 8 位是它的网络标识,后 24 位是它的主机标识,0.0.0.0 ~ 127.255.255.255

2、B 类地址

前两位是 “10” ,从第 1 位到第 16 位是它的网络标识,后 16 位是它的主机标识,128.0.0.0 ~ 191.255.255.255

3、C 类地址

前三位是 “110” ,从第 1 位到第 24 位是它的网络标识,后 8 位是它的主机标识,192.0.0.0 ~ 223.255.255.255

4、D 类地址

前四位是 “1110” ,从第 1 位到第 32 位是它的网络标识,224.0.0.0 ~ 239.255.255.255

D 类地址没有主机标识,常被用于多播

224.0.0.0 ~ 239.255.255.255 都是多播地址的可用范围,其中的 224.0.0.0 ~ 224.0.0.255 不需要路由控制,在同一个链路内也能实现多播,而在这个范围之外设置多播地址会给全网所有组内成员发送多播的包(可以利用 TTL(Time To Live, 生存时间)限制包的到达范围),此外,对于多播,所有的主机(路由器以外的主机和终端主机)必须属于 224.0.0.1 的组,所有的路由器必须属于 224.0.0.2 的组,类似地,多播地址中有众多已知的地址,它们中具有代表性的部分已列出,见下
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5、E 类地址

一直未使用

6、特殊地址

  • 主机标识全为0,就成了网络地址,代表这个局域网
  • 主机标识全为 1,就成了广播地址,用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包
  • 127.* 的地址用于本都环回(loop back)测试,通常是 127.0.0.1

7、广播地址

7.1、本地广播

在本地网络内的广播,例如网络地址为 192.168.0.0/24 的情况下,广播地址是 192.168.0.255,因为这个广播地址的 IP 包会被路由器屏蔽,所以不会到达 192.168.0.0/24 以外的其他链路上
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7.2、直接广播

在不同网络之间的广播
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注意:由于直接广播有一定的安全问题,多数情况下会在路由器上设置为不转发
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8、IP 多播

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多播既可以穿透路由器,又可以将包发送给特定组内的所有主机,由于其直接使用 IP 协议,因此不支持可靠传输

在人们使用多播功能前,一直采用的是广播形式,广播将数据发送给所有主机,再由这些主机 IP 的上一层判断是否有必要接收广播数据,是则接收,否则丢弃,然而这种方式会造成网络上很多不必要的流量,而且广播无法穿透路由器,若想给其他网段发送同样的包,就不得不采用多播

下图展示了一个利用 IP 隧道转发多播消息的例子
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由于现在很多路由器上没有多播包的路由控制信息,因此,多播消息也就无法穿越路由器发送信息,那么在这类环境中,如果使用 IP 隧道,就可以使路由器以单播的形式进行发包,如此,也就能够向距离较远的链路转发多播消息

二、子网掩码(Subnet Mask)

随着互联网的覆盖范围逐渐增大,上述划分方案的局限性很快就显现出来了,例如,申请一个 B 类地址,理论上其子网内能允许 65000+ 台主机,A 类地址的子网所能允许的主机数只会更多,然而,在实际网络架构中,不会存在一个子网内有这么多主机的情况,因此大量的 IP 地址都被浪费掉了

针对这种情况提出了新的划分方案 - CIDR(Classless Inter-Domain Routing, 无类别域间路由)

  • 引入一个额外的子网掩码来区分网络号和主机号
  • 子网掩码也是一个 32 位的正整数,它对应 IP 地址网络号部分的位全部为 “1” ,对应 IP 地址主机号部分的位全部为 “0”
  • 将 IP 地址和子网掩码进行 “按位与” 操作,得到的结果就是网络地址
  • 网络号和主机号的划分与这个 IP 地址是 A 类、B 类还是 C 类无关
  • 划分粒度比上述类地址更小
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    通过上例,我们可以看到,子网掩码长度可以不同(26 != 16),这就是VLSM(Variable Length Subnet Mask, 可变长子网掩码),在 CIDR 被应用到互联网的初期,网络内部采用固定长度的子网掩码机制,也就是说,当子网掩码的长度被设置为 /25 以后,域内所有的子网掩码都得使用同样的长度,然而,有些部门可能有 500 台主机,另一些部门可能只有 50 台主机,如果全部采用统一标准,就难以架构一个高效的网络结构,为此人们提出组织内要使用可变长度的、高效的 IP 地址分配方式,于是产生了一种可以随机修改组织内各个部门的子网掩码长度的机制 - VLSM,它可以通过域间路由协议转换为 RIP2 以及 OSPF 实现,根据 VLSM 可以将网络地址划分为主机数为 500 个时子网掩码长度为 /23,主机数为 50 个时子网掩码长度为 /26,从而在理论上可以将 IP 地址的利用率提高至 50%

三、IP 地址的数量限制

CIDR 在一定程度上缓解了 IP 地址不够用的问题,然而,随着互联网的迅速普及,IP 地址仍旧不够用,那么,可以通过以下三种方式解决:

### IP网段划分、计算与管理方法 IP地址的网段划分网络设计中的核心部分,主要用于将一个大型网络划分为多个较小的子网,以提高网络性能、安全性和管理效率。网段划分的核心在于**子网掩码**的应用和**网络标识**的计算。 #### 网络标识的计算方法 要判断两个IP地址是否处于同一网段,需要通过以下步骤进行计算: 1. 将IP地址和子网掩码分别转换为二进制形式; 2. 对IP地址和子网掩码执行“按位与”(AND)操作; 3. 得到的结果即为网络标识; 4. 若两个IP地址的网络标识相同,则它们处于同一网段;否则不在同一网段。 例如,对于IP地址 `192.168.0.1` 和子网掩码 `255.255.255.0`: ```plaintext IP地址: 11000000.10101000.00000000.00000001 子网掩码:11111111.11111111.11111111.00000000 AND运算结果:11000000.10101000.00000000.00000000 ``` 该结果对应的十进制表示为 `192.168.0.0`,即为网络标识[^1]。 #### 子网划分原则 子网划分通常遵循以下规则: - **A类地址**:默认子网掩码为 `255.0.0.0`,网络号仅由第一段决定; - **B类地址**:默认子网掩码为 `255.255.0.0`,网络号由前两段决定; - **C类地址**:默认子网掩码为 `255.255.255.0`,网络号由前三段决定。 在实际应用中,子网掩码可以根据需求进行调整,从而实现更细粒度的子网划分。例如,使用 `/25` 表示子网掩码为 `255.255.255.128`,即将一个C类网络划分为两个子网,每个子网最多可容纳126个主机。 #### 示例分析 考虑两个IP地址 `192.168.10.250/24` 和 `192.168.20.10/24` 是否在同一网段- 第一个IP的网络标识为 `192.168.10.0`; - 第二个IP的网络标识为 `192.168.20.0`。 由于网络标识不同,这两个IP地址不在同一网段,因此它们之间的通信需要通过路由器完成[^2]。 #### 子网划分的实际应用 当构建一个包含多个子网的网络时,需根据主机数量合理分配地址空间。例如,对于一个C类网络 `192.168.0.0/24`,若需将其划分为5个子网,分别连接20台、50台、100台电脑以及两个路由器接口,应采用**可变长子网掩码(VLSM)**技术进行划分: 1. 首先确定最大子网的需求(如100台主机),选择合适的子网掩码; 2. 依次为其他子网分配地址空间; 3. 确保所有子网之间不重叠,并保留足够的地址用于未来扩展。 这种方法可以有效利用有限的IP地址资源,并确保网络结构清晰、易于管理[^5]。 #### 网络设备的选择 在同一网段内,设备间的通信可以通过交换机完成;而跨网段通信则必须借助路由器。这种区分有助于控制广播域的大小,提升网络性能并增强安全性。 ---
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