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网络基本功(七):细说IP地址与子网

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起初,IP地址只有两层结构:网络与主机。子网地址向其中添加了一层新的结构:不同于仅有主机,网络有分为子网与主机。每一个子网的功能近乎于完整的网络。子网的添加构成了三层网络结构:包含子网的网络,各自由若干主机构成。IP地址由此被分为三个部分:网络ID,子网ID与主机ID。IP地址长度仍固定为32位,其中,A类网络8位子网掩码,B类网络16位子网掩码,C类网络24位子网掩码。

对于每一类网络,网络数以及每一网络中包含的主机数,决定了它们各自占用多少比特位。这一准则同样适用于如何划分子网与主机。子网数量为2的子网ID次方,每一子网内的主机数为2的主机ID次方。假设一个B类网络154.71.0.0,网络ID占16位(154.71),主机ID占16位。没有子网的情况下一共可容纳65,534台主机。按照实际需求将16位划分为子网与主机:1位子网16位主机,或2与14,3与13。。。如下图所示,划分为5位子网与11位主机,子网数越多,主机数越少。




搭建IP子网时,如何划分子网与主机数是最重要的问题之一。子网所占位取决于整个网络中的物理子网数,每一子网中的主机数不能超过子网划分所允许的最大数量。

IP子网掩码,表示法以及子网计算:

在没有子网的网络环境下,路由器通过IP地址的前八位来决定是哪一类型的网络,从而它们知道哪些是网络ID哪些是主机ID。划分子网时,路由器也需要知道主机ID是如何划分成子网ID与主机ID的,但是划分方法可以是任意组合,也没有办法从IP地址看出来。因此,必须有额外的信息告知解析IP地址的设备,这一信息称为子网掩码,以32比特数的形式呈现。

掩码位的1和0结合布尔函数与和或的功能对于地址中的比特位进行选择或清除。子网掩码中的32位对应于IP地址相同位置上的数字。掩码位为1时,则地址中该位作为网络ID或子网ID,而掩码位为0时,则地址中该位表示主机ID。

子网掩码为1:将IP地址中的0或1与1进行与操作,即:当子网掩码位为1,IP地址保持不变。

子网掩码为0:任何数和0做与操作都是0,即:当子网掩码位为0,IP地址清零。

因此,将子网掩码应用于IP地址,网络ID和子网ID保持不变,移除主机ID。执行此功能的路由器由此获得子网地址,因为它知道网络类型,因此能够区分网络位与子网地址位。

举例来说,假设将B类网络154.71.0.0划分5位为子网ID,11位为主机ID。因此,子网掩码有16个1代表网络部分(B类网络),接下来5个1作为子网部分,11个0用作主机ID。二进制数表示为11111111 11111111 11111000 00000000,十进制数表示为255.255.248.0。




举例:

假设有一台主机IP地址154.71.150.42,路由器需要找出该主机位于哪一子网,则它的掩码操作如下图所示:







结果,154.71.150.42所属的子网为154.71.144.0。另一台路由器能够从中区分出网络ID与子网ID,因为地址的前两个比特位是10,是一个B类网络。所以网络ID占16位,子网ID一定是17至21。这里,子网是10010,或子网18。

提一个问题:既然子网掩码只是将网络地址划分出网络部分与子网部分,那为什么还要使用另外的32位比特数255.255.248.0,而不直接将IP地址第21位指定为分界线呢?这是有历史原因的:因为需要考虑不连续的掩码情况。同时,它也能够让路由器进行快速的掩码操作来找出子网地址。

除了将16位划分为5位子网ID与11位主机ID,标准也允许前2位用作子网ID,4位用作主机ID,之后3位用作子网ID,7位用作主机ID。因此子网掩码为11000011 10000000。当然,这会造成混淆,是不推荐的,实际中也没有人会这么做。

鉴于非连续掩码实际不会应用,以及现今的计算机速度大幅提升,新的表达法为154.71.150.42/21。

IP子网掩码设定:

假设B类网络154.71.0.0,没有子网的话一共有65,534台主机。划分子网时,按照以下方法:

· 1位用作子网ID,15位用作主机ID:那么子网数为2^1,第一个子网是0,第二个子网是1。每一个子网的主机数是2^15-2,或32,766。

· 2位用作子网ID,14位用作主机ID:那么子网数为2^2,四个子网0,1,2,3。每一个子网的主机数是2^14-2,或16,382。

子网与主机ID位的划分取决于子网数与子网中最大主机数。假设一个B类网络中有10个子网,需要4位表示子网(2^4=16,2^3=8),12位用作主机ID,每一子网最多4,094台主机。

如果你有20个子网,每一子网3,000台主机,那么就会碰到问题。需要5位表示20个子网,而3,000台主机需要12位。这时需要重新组织物理网络,如果无法做到,就需要第二个B类网络。

自定义子网掩码的方法是:从指定网络类型的默认子网掩码中,从最左边的0位开始,按照需要的子网数将0改为1。假设C类网络200.13.94.0,最后8位可供划分子网与主机,则有6种不同的划分方法。假如使用3位作为子网ID,5位作为主机ID,那么:

默认C类网络子网掩码:11111111 11111111 11111111 00000000

将最左边的3位0改为1:11111111 11111111 11111111 11100000

即子网掩码为:255.255.255.224。

通常情况下,所有子网大小必须相同。因此,最大一个子网的主机数决定了需要多少位比特用作主机ID。因此前例中,前19个子网每个子网最多100台主机,而第20个子网需要3000个主机,就会碰到问题。这种情况下,需要将最后一个过大的子网拆成若干个小的子网。




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