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IP 地址分类与子网掩码 ​

你有没有想过：当你配置电脑网络时，为什么要填「IP 地址」「子网掩码」「默认网关」这三个东西？

很多程序员知道「IP 地址就是设备的门牌号」，但问到子网掩码，就一脸茫然了。这篇文章帮你彻底理解它们。

IP 地址的本质 ​

IP 地址是分配给网络设备的逻辑地址，用于在网络层标识设备、实现路由选择。IPv4 地址是 32 位，用点分十进制表示：

11000000.10101000.00000001.00000001
        ↓
      192.168.1.1

32 位意味着只有约 42 亿个地址——在互联网爆发式增长的年代，这远远不够，于是有了 IPv6（128 位）。但今天我们主要讨论 IPv4。

IP 地址分类 ​

早期 IPv4 地址被分成五类（Class A-E）：

┌────┬─────────────────────────────┬──────────────────────┬────────────┐
│ 类别 │      地址范围                │        网络数         │ 主机数      │
├────┼─────────────────────────────┼──────────────────────┼────────────┤
│ A  │ 0.0.0.0    - 127.255.255.255│ 2^7 - 2 = 126        │ 2^24 - 2   │
│ B  │ 128.0.0.0  - 191.255.255.255│ 2^14     = 16384     │ 2^16 - 2   │
│ C  │ 192.0.0.0  - 223.255.255.255│ 2^21     = 2097152   │ 2^8 - 2    │
│ D  │ 224.0.0.0  - 239.255.255.255│ 多播地址              │ 不可用      │
│ E  │ 240.0.0.0  - 255.255.255.255│ 保留（研究/实验）      │ 不可用      │
└────┴─────────────────────────────┴──────────────────────┴────────────┘

各类地址详解 ​

A 类地址：第一位固定为 0

0xxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx
↑
固定为 0
  • 网络号：8 位（第一位固定，实际可用 7 位）
  • 主机号：24 位
  • 第一个八位组范围：0-127（但 0 和 127 有特殊用途）
  • 典型代表：10.0.0.0（大型企业、政府机构）

B 类地址：前两位固定为 10

10xxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx
↑↑
固定为 10
  • 网络号：16 位（但前两位固定，实际可用 14 位）
  • 主机号：16 位
  • 第一个八位组范围：128-191
  • 典型代表：172.16.0.0 到 172.31.255.255（教育网、政务网）

C 类地址：前三位固定为 110

110xxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx
↑↑↑
固定为 110
  • 网络号：24 位（但前三位固定，实际可用 21 位）
  • 主机号：8 位
  • 第一个八位组范围：192-223
  • 典型代表：192.168.0.0（私有网络，家庭/公司局域网）

特殊 IP 地址 ​

0.0.0.0        ：「本网络」地址，表示当前主机
255.255.255.255：受限广播地址，仅在本地网络广播
127.0.0.1      ：本地回环地址（loopback），本机测试
x.x.x.0        ：网络地址（主机号全为 0，表示整个网络）
x.x.x.255      ：广播地址（主机号全为 1，发送给整个网络）

私有地址（保留地址） ​

以下地址段不在公网上路由，仅用于私有网络：

10.0.0.0    - 10.255.255.255    （1 个 A 类网络）
172.16.0.0  - 172.31.255.255    （16 个 B 类网络）
192.168.0.0 - 192.168.255.255   （256 个 C 类网络）

这就是为什么你家、公司、咖啡馆的 IP 地址大多都是 192.168.x.x。

子网掩码：划分子网的关键 ​

为什么需要子网掩码？ ​

在分类地址时代，网络号和主机号的界限是固定的：

  • A 类：网络号 8 位，主机号 24 位
  • B 类：网络号 16 位，主机号 16 位
  • C 类：网络号 24 位，主机号 8 位

但这太死板了。比如一个 B 类网络有 65534 台主机，太大了！于是出现了子网划分——把主机号的一部分「借」出来作为子网号。

子网掩码的定义 ​

子网掩码（Subnet Mask）用于指示 IP 地址中哪些位是网络位（包括子网位），哪些位是主机位。

规则：子网掩码中，1 对应 IP 地址的网络位，0 对应主机位。

IP 地址：      192.168.1.100      （11000000.10101000.00000001.01100100）
子网掩码：     255.255.255.0      （11111111.11111111.11111111.00000000）
                            ↓
网络地址：     192.168.1.0        （11000000.10101000.00000001.00000000）
主机地址范围： 192.168.1.1 - 192.168.1.254（主机位不能全 0 全 1）

子网掩码的表示方法 ​

点分十进制：     255.255.255.0
CIDR 表示法：   /24  （表示前 24 位是网络位）

/24 是最常用的 CIDR 记法，它简洁地表示了子网掩码。

常见的 CIDR 表示 ​

CIDR子网掩码可用主机数相当于
/30255.255.255.2522点对点链路
/28255.255.255.24014小型子网
/27255.255.255.22430小型子网
/26255.255.255.19262中小型子网
/25255.255.255.128126中型子网
/24255.255.255.0254标准 C 类
/16255.255.0.065534标准 B 类
/8255.0.0.016777214标准 A 类

子网划分实例 ​

假设你有一个 192.168.1.0/24 网络，需要划分给 4 个部门：

原始网络：    192.168.1.0/24
子网掩码：    255.255.255.0
主机范围：    192.168.1.0 - 192.168.1.255（256 个地址）

借 2 位做子网：
子网掩码：    255.255.255.192  （/26）
每个子网：   64 个地址（62 可用）

子网 1：  192.168.1.0/26    → 192.168.1.1 - 192.168.1.62
子网 2：  192.168.1.64/26   → 192.168.1.65 - 192.168.1.126
子网 3：  192.168.1.128/26 → 192.168.1.129 - 192.168.1.190
子网 4：  192.168.1.192/26  → 192.168.1.193 - 192.168.1.254

子网掩码的作用 ​

1. 判断两个 IP 是否在同一网段 ​

java
public class SubnetCalculator {
    public static boolean isSameSubnet(String ip1, String ip2, String mask) {
        long[] ips = parseIps(ip1, ip2, mask);
        // 网络地址相同，则在同一网段
        return (ips[0] & ips[2]) == (ips[1] & ips[2]);
    }

    private static long[] parseIps(String ip1, String ip2, String mask) {
        return new long[]{
            ipToLong(ip1),
            ipToLong(ip2),
            ipToLong(mask)
        };
    }

    public static long ipToLong(String ip) {
        String[] parts = ip.split("\\.");
        long result = 0;
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            result |= (Long.parseLong(parts[i]) << (8 * (3 - i)));
        }
        return result;
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 192.168.1.10 和 192.168.1.20 在同一网段吗？
        System.out.println(isSameSubnet(
            "192.168.1.10",
            "192.168.1.20",
            "255.255.255.0"
        )); // true

        // 192.168.1.10 和 192.168.2.20 在同一网段吗？
        System.out.println(isSameSubnet(
            "192.168.1.10",
            "192.168.2.20",
            "255.255.255.0"
        )); // false
    }
}

2. 计算网络地址和广播地址 ​

python
def calculate_network(ip, mask_cidr):
    """计算网络地址和广播地址"""
    ip_int = sum(int(octet) << (8 * (3 - i)) for i, octet in enumerate(ip.split('.')))
    mask_int = (0xFFFFFFFF << (32 - mask_cidr)) & 0xFFFFFFFF

    network_int = ip_int & mask_int
    broadcast_int = network_int | (~mask_int & 0xFFFFFFFF)

    def int_to_ip(x):
        return '.'.join(str((x >> (8 * i)) & 0xFF) for i in range(4))

    return int_to_ip(network_int), int_to_ip(broadcast_int)

# 示例
network, broadcast = calculate_network('192.168.1.100', 26)
print(f"网络地址: {network}")    # 192.168.1.64
print(f"广播地址: {broadcast}")  # 192.168.1.127

变长子网掩码（VLSM） ​

实际网络中，不同部门需要的 IP 数量不同——服务器可能需要 /28，部门可能需要 /26。

VLSM（Variable Length Subnet Mask）允许同一网络使用不同长度的子网掩码：

公司网络 192.168.1.0/24 划分：

服务器区：  192.168.1.0/28   （16 地址，14 可用）
财务部：    192.168.1.16/28  （16 地址，14 可用）
技术部：    192.168.1.32/27  （32 地址，30 可用）
市场部：    192.168.1.64/27  （32 地址，30 可用）
其他部门：  192.168.1.96/27  （32 地址，30 可用）
剩余地址：  192.168.1.128/25 （保留）

面试追问方向 ​

  • IP 地址的分类是怎样的？私有地址有哪些？
  • 子网掩码的作用是什么？为什么要划分子网？
  • 如何判断两个 IP 地址是否在同一网段？
  • 什么是 CIDR？和传统的分类网络有什么区别？
  • 什么是 VLSM？
  • 为什么主机号不能全为 0 或全为 1？
  • 网络地址和广播地址的作用分别是什么？

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