4.1 IP地址与子网划分

4.1 IP地址与子网划分

本节摘要：IPv4 地址是 32 位的全球通邮身份，前半是网络号、后半是主机号，子网掩码划出分界线。本节讲清 CIDR 斜线记法、子网划分的完整手工演算、两类特殊地址与 NAT 地址转换，并给出两个实战：给定需求划分子网、以及读懂一次路由汇总。

跨出网段之前，先领全球身份。MAC 像工牌只在楼内有效，IP 像收件地址体系：省市区是网络号，门牌是主机号。路由器只看"省市区"部分决定往哪送——这个"只看前缀"的思想叫无类别域间路由（CIDR），是现代编址的基石。

一、32 位地址的三种写法

同一个地址的三副面孔：

二进制：11000000 10101000 00000001 01100100
点分十进制：192.168.1.100
CIDR 记法：192.168.1.100/24

/24 表示前 24 位是网络号，掩码就是 24 个连续的 1：
255.255.255.0 = 11111111 11111111 11111111 00000000

地址 与 掩码 逐位与运算 → 网络地址：
  192.168.1.100
& 255.255.255.0
= 192.168.1.0        ← 本网段的"小区名"

主机位全 1 → 广播地址：192.168.1.255
可用主机数 = 2^(32-24) - 2 = 254（扣掉网络地址与广播地址）
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传统分类（A/B/C 类按固定边界切网络号）在 1993 年被 CIDR 取代，原因很简单：B 类 6 万多个主机地址对多数机构太大、C 类 254 个又太小，浪费惊人。CIDR 允许前缀长度任意（/8 到 /30 常用），地址利用率大幅提高，代价是路由表要支持"最长前缀匹配"——精确的代价转嫁给了查表算法。

二、手工划分子网：完整演算

背景：一个机构拿到 192.168.10.0/24，需要切成若干子网：营销部 100 台、研发部 50 台、运维部 20 台、另留一个点对点链路网段（2 个地址）。

第 1 步：按需求从大到小排序：100 → 50 → 20 → 2

第 2 步：逐个计算所需主机位
  100 台：2^7 - 2 = 126 ≥ 100 → 7 位主机位 → 前缀 /25
  50 台：2^6 - 2 = 62 ≥ 50 → 6 位主机位 → 前缀 /26
  20 台：2^5 - 2 = 30 ≥ 20 → 5 位主机位 → 前缀 /27
  2 台：2^2 - 2 = 2 → 2 位主机位 → 前缀 /30

第 3 步：从地址块起点依次切分（对齐到块大小）
  营销：192.168.10.0/25     范围 .0 ~ .127    可用 .1 ~ .126
  研发：192.168.10.128/26   范围 .128 ~ .191  可用 .129 ~ .190
  运维：192.168.10.192/27   范围 .192 ~ .223  可用 .193 ~ .222
  链路：192.168.10.224/30   范围 .224 ~ .227  可用 .225 ~ .226
  剩余：192.168.10.228 ~ .255 留作扩展

验算（必须做）：各块起点是否是块大小的整数倍？
.128 是 64 的倍数 ✓（/26 块大小 64）
.192 是 32 的倍数 ✓（/27 块大小 32）
.224 是 4 的倍数 ✓（/30 块大小 4）
任何一块错位，相邻块就会重叠——这是初学者最常见的翻车点。
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图：一个 /24 的切块全景

三、特殊地址与 NAT

不是所有地址都能全球通邮。10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16 是私有地址，只在机构内部有意义；127.0.0.1 是本机回环；169.254.0.0/16 是 DHCP 失败后系统自配的"救命地址"——看到它基本可以断定"没拿到 IP，先查 DHCP"。

私有地址如何上网？靠网络地址转换（NAT）：家里的路由器把内网源地址改写成自己的公网地址并记下端口号，回程再按表还原。一次内网访问在外面的样子：

# 在网关上查看 NAT 转换表（Linux 连接跟踪的简化输出）

$ cat /proc/net/nf_conntrack | grep "192.168.1.23"
ipv4 2 tcp src=192.168.1.23 dst=93.184.216.34 sport=52738 dport=80
    src=93.184.216.34 dst=203.0.113.7 sport=80 dport=40012

解读：内网主机 192.168.1.23:52738 访问外部 80 端口，
网关公网地址 203.0.113.7 用端口 40012 对外代表它。
服务器只看得到 203.0.113.7——回包按这条映射表逐项还原。

工程影响：NAT 让"地址耗尽"缓了一口气，代价是破坏了
"每个端点全球唯一可达"的端到端模型——外网无法主动
访问内网主机（P2P 与游戏联机要靠打洞技巧绕过），
这也是 IPv6 想终结 NAT 的动机之一。
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⚠️ 常见坑：子网主机数忘了扣 2（网络地址与广播地址不可分配）；把 /25 的块起点对到 .64 之类非对齐位置造成重叠；以及在设计文档里混用"子网掩码"新旧写法导致对端设备解析出错。

常见疑问：变长子网与路由聚合

按部门大小切块（前文做法）就是变长子网掩码（VLSM）——同一机构内不同网段前缀不同，地址利用率最优。它的镜像操作是路由聚合（超网）：把连续的多个小块在路由表中合并宣告成一个大前缀，缩小全球路由表规模。例如 192.168.8.0/24 到 192.168.11.0/24 四块连续地址，可聚合为 192.168.8.0/22 一条路由——上游只需记一条。聚合成立的前提同样是"块对齐"：起点必须是块大小的整数倍。规划地址时"预留对齐空间"，就是在为多年后的聚合与 VLSM 留活路，这是地址规划最有长期价值的一笔投资。

顺带一个速算技巧备查：/24 有 254 个可用地址、/23 有 510、/25 有 126——记住 2 的幂减二这个公式，比背表格可靠；面试与实操里，"这个网段能容纳多少主机"是出现频率最高的问题之一。

本节要点回顾

• 编址双段结构：网络位定归属、主机位定成员，掩码（前缀长度）是分界线
• CIDR 思想：任意长度前缀取代僵化的类别，利用率换查表复杂度
• 划分五步：排序、算主机位、定前缀、对齐切块、验算不重叠
• 特殊地址速记：三段私网、127 回环、169.254 即 DHCP 故障信号
• NAT 的本质：出口改写加映射表，救了地址、伤了端到端

身份已备，下一节看数据包如何被装进 IP 信封，并被路由器一站站接力。