CIDR和子网掩码详解
CIDR (Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由) 和子网掩码 (Subnet Mask) 是 IP 地址管理和路由技术中的两个核心概念。它们共同解决了传统 IP 地址分类的局限性，实现了更高效的 IP 地址分配和更灵活的网络划分。理解这两个概念对于构建和管理现代 IP 网络至关重要。
核心思想：CIDR 使用“IP 地址/前缀长度”的格式，通过前缀长度直接表示网络部分和主机部分，从而废除了传统的 A/B/C 类地址概念。子网掩码则是这种前缀长度的二进制表示，用于在 IP 地址中区分网络地址和主机地址。
一、IP 地址基础回顾
在深入 CIDR 和子网掩码之前，我们先快速回顾一下 IP 地址的基础知识：
- IP 地址 (IPv4)：一个 32 位的二进制数字，通常表示为四个十进制数（0-255）由点分隔的形式，例如
192.168.1.1。 - 网络地址 (Network Address)：用于标识一个 IP 子网，所有在该子网内的主机都共享相同的网络地址。
- 主机地址 (Host Address)：用于标识子网内的一台特定设备。
- 广播地址 (Broadcast Address)：用于向子网内所有设备发送数据包的特殊地址。
1.1 传统 IP 地址分类的局限性
在 CIDR 出现之前，IPv4 地址被分为 A、B、C、D、E 五类。其中：
- A 类地址：第一位为 0，网络部分占 8 位 (
0-127.x.x.x)，最多有 126 个网络，每个网络可容纳 1600 多万台主机。 - B 类地址：前两位为 10，网络部分占 16 位 (
128-191.x.x.x)，最多有 16000 多个网络，每个网络可容纳 65000 多台主机。 - C 类地址：前三位为 110，网络部分占 24 位 (
192-223.x.x.x)，最多有 200 多万个网络，每个网络可容纳 254 台主机。
问题在于：
- 地址浪费：B 类地址对于大多数组织来说主机位太多，容易造成大量 IP 地址闲置。而 C 类地址主机位又太少，不够用。
- 路由表膨胀：随着互联网的发展，大量的 A/B/C 类网络都需要在路由表中维护，导致路由器负载增加。
CIDR 和子网掩码正是为了解决这些问题而诞生的。
二、子网掩码 (Subnet Mask)
2.1 定义
子网掩码是一个 32 位的二进制数字，与 IP 地址结合使用，用于区分 IP 地址中的网络部分和主机部分。
- 子网掩码中网络部分对应的二进制位全部为
1。 - 子网掩码中主机部分对应的二进制位全部为
0。
2.2 格式与表示
子网掩码通常以与 IP 地址相同的点分十进制形式表示，例如 255.255.255.0。
示例：
一个 IP 地址 192.168.1.100 搭配子网掩码 255.255.255.0。
| 部分 | IP地址 (点分十进制) | IP地址 (二进制) |
|---|---|---|
| 第一段 | 192 | 11000000 |
| 第二段 | 168 | 10101000 |
| 第三段 | 1 | 00000001 |
| 第四段 | 100 | 01100100 |
| 合计 | 192.168.1.100 | 11000000.10101000.00000001.01100100 |
| 子网掩码 | 255.255.255.0 | 11111111.11111111.11111111.00000000 |
2.3 如何利用子网掩码获取网络地址和主机地址？
通过将 IP 地址和子网掩码进行按位与 (AND) 运算，可以得到网络地址。
1 | graph LR |
示例：192.168.1.100 和 255.255.255.0
1 | IP 地址: 11000000.10101000.00000001.01100100 (192.168.1.100) |
获取到网络地址后，主机地址就是 IP 地址中，子网掩码为 0 的那部分。
三、CIDR (Classless Inter-Domain Routing)
3.1 定义
CIDR (无类别域间路由) 是一种 IP 地址表示方法，它废弃了传统的 A、B、C 类地址概念，允许 IP 地址的网络部分长度是可变的，从而实现更灵活的 IP 地址分配。
3.2 格式
CIDR 地址表示为 IP地址/前缀长度。
- IP地址：可以是网络地址或主机地址。
- 前缀长度 (Prefix Length)：一个十进制数字 (1-32)，表示 IP 地址中网络部分的位数。它等同于子网掩码中
1的个数。
示例：
192.168.1.0/24：表示 IP 地址192.168.1.0，网络部分占 24 位。10.0.0.0/8：表示 IP 地址10.0.0.0，网络部分占 8 位。
3.3 CIDR 与子网掩码的对应关系
CIDR 的前缀长度可以直接转换为子网掩码：
| CIDR 前缀长度 | 子网掩码 | 十进制表示 |
|---|---|---|
| /8 | 11111111.00000000.00000000.00000000 | 255.0.0.0 |
| /16 | 11111111.11111111.00000000.00000000 | 255.255.0.0 |
| /24 | 11111111.11111111.11111111.00000000 | 255.255.255.0 |
| /28 | 11111111.11111111.11111111.11110000 | 255.255.255.240 |
| /30 | 11111111.11111111.11111111.11111100 | 255.255.255.252 |
3.4 CIDR 的优势
IP 地址高效利用 (子网划分 - Subnetting)：
通过调整前缀长度，可以将一个大的网络划分为多个小的子网，或将多个小的子网聚合成一个大的网络 (路由聚合/超网)。- 例子：传统 C 类地址只能是
/24，只能有 254 个可用 IP。但通过 CIDR，可以将一个/24的网络划分为两个/25的子网，每个子网有 126 个可用 IP，提高了地址利用率。
- 例子：传统 C 类地址只能是
减少路由表项 (路由聚合 - Route Aggregation/Supernetting)：
多个连续的 IP 地址块可以聚合成一个更大的 CIDR 块，路由器只需维护一个聚合路由条目，大大减少了路由器的负担和路由表的规模。- 例子：如果一个组织拥有
192.168.0.0/24、192.168.1.0/24、192.168.2.0/24、192.168.3.0/24这四个网络，通过路由聚合，可以将它们表示为192.168.0.0/22一个路由条目。
- 例子：如果一个组织拥有
四、子网划分 (Subnetting) 实践
假设我们有一个网络 192.168.1.0/24，包含了 254 个可用 IP。现在我们想把它划分为 4 个子网。
4.1 确定主机位借位数
/24表示网络部分 24 位，主机部分 8 位 (32-24=8)。- 我们需要 4 个子网。
2^n >= 4，所以n=2。我们需要从主机位借 2 位来做子网位。 - 新的网络部分长度为
24 + 2 = 26位。 - 新的主机部分为
32 - 26 = 6位。
4.2 计算新子网掩码
- 新的 CIDR 前缀为
/26。 - 子网掩码：前 26 位为
1，后 6 位为0。11111111.11111111.11111111.11000000
转换成十进制：255.255.255.192。
4.3 计算每个子网的网络地址、广播地址和可用 IP 范围
- 每个子网可用主机数：
2^6 - 2 = 64 - 2 = 62台。
| 子网号 | 网络地址 | 主机位 (最后一段) | 广播地址 | 可用 IP 范围 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 192.168.1.0/26 |
00xxxxxx |
192.168.1.63 |
192.168.1.1 - 192.168.1.62 |
| 1 | 192.168.1.64/26 |
01xxxxxx |
192.168.1.127 |
192.168.1.65 - 192.168.1.126 |
| 2 | 192.168.1.128/26 |
10xxxxxx |
192.168.1.191 |
192.168.1.129 - 192.168.1.190 |
| 3 | 192.168.1.192/26 |
11xxxxxx |
192.168.1.255 |
192.168.1.193 - 192.168.1.254 |
表格说明：
- 子网号：通过借用的主机位 (两位) 的组合 (00, 01, 10, 11) 来区分。
- 网络地址：主机位全部为
0的地址。 - 广播地址：主机位全部为
1的地址。 - 可用 IP 范围：除了网络地址和广播地址之外的所有地址。
五、VLSM (变长子网掩码)
CIDR 的核心思想就是允许不同的子网使用不同长度的子网掩码，这被称为 VLSM (Variable Length Subnet Masking)。
场景：
假设一个公司有一个部门需要 50 台主机，另一个部门需要 10 台主机。如果都使用 /26 (62 台可用主机)，那么 10 台主机的部门将浪费 50 多个 IP。
使用 VLSM，我们可以：
- 为 50 台主机的部门分配一个
/26的子网 (62 台可用)。 - 为 10 台主机的部门分配一个
/28的子网 (14 台可用)。
这样可以更有效地利用 IP 地址资源。
六、总结
- 子网掩码：一个 32 位数字，用于划分 IP 地址的网络部分和主机部分。网络部分为
1，主机部分为0。 - CIDR (无类别域间路由)：一种 IP 地址表示方法 (
IP地址/前缀长度)，废弃了传统地址分类，实现了 IP 地址的灵活分配和路由聚合。前缀长度即为子网掩码中1的数量。 - 子网划分：通过增加子网掩码的长度（借用主机位），将一个大网络划分为多个小网络，提高 IP 地址利用率。
- 路由聚合：通过缩短子网掩码的长度（归还网络位），将多个小网络聚合成一个大网络，减少路由表条目。
- VLSM (变长子网掩码)：允许同一网络内部存在不同长度子网掩码的子网，进一步提高了 IP 地址利用效率。
CIDR 和子网掩码是现代 IP 网络设计的基石，它们优化了 IP 地址的分配和路由效率，是理解网络拓扑和 IP 通信的关键。
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