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IP地址与子网划分

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IP地址与子网划分

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你手机连上 WiFi 后拿到的 192.168.1.x，出了路由器就变成运营商给的公网 IP——这背后是 IP 地址分类和 NAT 在工作。

IPv4 地址分类

IPv4 地址是 32 位，点分十进制表示（如 192.168.1.1）。早期按规模分成几类，方便分配给不同大小的组织：

类别第一字节范围网络位主机位可用主机数典型用途
A 类1 ~ 1268 位24 位约 1600 万超大型机构
B 类128 ~ 19116 位16 位约 6.5 万中大型机构
C 类192 ~ 22324 位8 位254小型网络
D 类224 ~ 239———多播地址
E 类240 ~ 255———保留/实验

127.x.x.x 是回环地址（loopback），ping 127.0.0.1 是测试本机网络栈是否正常。

私有地址（不在公网路由，局域网内用）：

范围类别常见场景
10.0.0.0 ~ 10.255.255.255A 类私有公司内网、数据中心
172.16.0.0 ~ 172.31.255.255B 类私有企业内网
192.168.0.0 ~ 192.168.255.255C 类私有家用路由器、嵌入式设备

公司内网为什么喜欢用 10.0.0.0/8？因为它能容纳 1600 万台设备，一个 /8 就够整个公司用，不用再划子网。

子网掩码与 CIDR

A 类地址给一个机构就是 1600 万个 IP，大部分都浪费了。子网划分把一个大网络切成多个小网络。

子网掩码：和 IP 地址一样是 32 位，连续的 1 表示网络部分，连续的 0 表示主机部分。

CIDR（无类域间路由）：用斜线加前缀长度表示，如 192.168.1.0/24，比分类更灵活。

怎么算：

给定 IP 地址和前缀长度，求网络地址、广播地址、可用主机数：

IP 地址：192.168.1.100/24
子网掩码：255.255.255.0（前 24 位全 1）

网络地址 = IP AND 子网掩码
         = 192.168.1.100 AND 255.255.255.0
         = 192.168.1.0

广播地址 = 网络地址的主机位全置 1
         = 192.168.1.255

可用主机数 = 2^(32-24) - 2 = 2^8 - 2 = 254
（减 2 是因为网络地址和广播地址不能分配给主机）

典型例题：

192.168.10.200/28，求网络地址、广播地址、可用主机数。

前缀 28 位，主机位 4 位
子网掩码：255.255.255.240（最后一字节 11110000 = 240）

200 的二进制：11001000
AND 11110000 = 11000000 = 192

网络地址：192.168.10.192
广播地址：192.168.10.207（主机位全 1：11001111 = 207）
可用主机数：2^4 - 2 = 14

**判断两个 IP 是否在同一子网：**两个 IP 分别 AND 子网掩码，结果相同则在同一子网。

NAT：私有地址出公网

私有地址在公网上不可路由，出了家用路由器必须转换成公网 IP。这就是 NAT（网络地址转换）。

**为什么需要 NAT：**IPv4 公网地址只有约 43 亿个，全球设备远超这个数，NAT 让多台设备共用一个公网 IP。

怎么工作：

你的手机（192.168.1.5:54321）
    ↓ 发出请求
路由器 NAT 表：192.168.1.5:54321 ↔ 公网IP:60001
    ↓ 替换源地址
公网（公网IP:60001）→ 目标服务器

服务器回包 → 路由器查 NAT 表 → 转回 192.168.1.5:54321

NAT 表记录了内网地址+端口和公网地址+端口的映射关系，靠端口号区分不同设备的连接。

IPv6

**为什么要 IPv6：**2011 年 IANA 把最后一批 IPv4 地址分配完毕，IPv6 是根本解决方案。

对比项IPv4IPv6
地址长度32 位（约 43 亿）128 位（约 3.4×10³⁸）
表示方式点分十进制 192.168.1.1冒号十六进制 2001:db8::1
首部长度可变（最小 20 字节）固定 40 字节
首部校验和有去掉了（交给传输层）
NAT需要（地址不够用）不需要（地址足够）
广播有没有，用多播代替
地址自动配置DHCPSLAAC（无状态地址自动配置）

IPv6 地址压缩规则：

  • 每组前导 0 可省略：0042 → 42
  • 连续全 0 组可用 :: 代替（只能用一次）：2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001 → 2001:db8::1

**嵌入式场景：**IoT 设备数量庞大，IPv6 是趋势。6LoWPAN 协议把 IPv6 压缩后跑在低功耗无线网络（如 Zigbee）上。

笔试题直击

Q：给定 IP/前缀，求网络地址、广播地址、可用主机数

套公式：

  1. 网络地址 = IP AND 子网掩码
  2. 广播地址 = 网络地址的主机位全置 1
  3. 可用主机数 =

Q：判断两个 IP 是否在同一子网

两个 IP 分别 AND 子网掩码，结果相同则在同一子网。

Q：IPv6 和 IPv4 的主要区别

地址 128 位 vs 32 位；首部固定 40 字节；去掉了校验和和广播；不需要 NAT；支持 SLAAC 自动配置。

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