子網劃分詳解：從 IP 地址結構到實際應用

在計算機網絡中，子網劃分是一項關鍵的技術，它能幫助我們更高效地管理 IP 地址資源，優化網絡性能。要深入理解子網劃分，首先需要從 IP 地址的基本結構說起。

一、IPv4 地址的基本構成

IPv4 地址由 32 位二進制數組成，為了便于配置和記憶，通常采用點分十進制的形式表示。具體來說，32 位二進制數被分成 4 組，每組 8 位，每組之間用點分隔，例如 11000000.10101000.00000000.00000010，用點分十進制表示就是 192.168.0.2。

與之配合使用的子網掩碼，如 255.255.255.0，也是 32 位二進制數，它的作用是區分 IP 地址中的網絡部分和主機部分。

IPv4 地址由網絡部分（NETWORK）和主機部分（HOST）組成。以 192.168.1.132 為例，在默認子網掩碼 255.255.255.0 的情況下，網絡部分是 192.168.1，主機部分是 132。其中，192.168.1.0 被稱為網絡地址，192.168.1.255 被稱為廣播地址。

二、IP 地址的分類

IP 地址分為 A、B、C、D、E 五類，每類地址有著不同的范圍和默認子網掩碼。

• A 類地址：范圍是 1.0.0.1～126.255.255.254。A 類地址的結構為網絡部分 + 主機部分 + 主機部分 + 主機部分，其默認子網掩碼為 / 8（即 255.0.0.0）。

• B 類地址：范圍是 128.0.0.1～191.255.255.254。B 類地址的結構為網絡部分 + 網絡部分 + 主機部分 + 主機部分，默認子網掩碼為 / 16（即 255.255.0.0）。

• C 類地址：范圍是 192.0.0.1～223.255.255.254。C 類地址的結構為網絡部分 + 網絡部分 + 網絡部分 + 主機部分，默認子網掩碼為 / 24（即 255.255.255.0）。

• D 類地址：范圍是 224.0.0.1～239.255.255.254，主要用于組播通信。組播是一種一對多的通信方式，與單播（一對一）和廣播（一對多）有所區別。

• E 類地址：范圍是 240.0.0.1～255.255.255.254，主要用于科學研究的保留地址。

此外，還有一些特殊的 IP 地址：以 127 開頭的 IP 地址都代表本機（廣播地址 127.255.255.255 除外），其中 127.0.0.1 為本機回環地址；169.254.0.0～169.254.255.255 是 DHCP 服務失效時分配的地址。

三、私有 IP 地址范圍

私有 IP 地址是指內部網絡或主機使用的 IP 地址，不在 Internet 上被分配，可在一個單位或公司內部重復使用。根據 RFC1918 標準，私有 IP 地址的范圍如下：

• A 類私有地址：10.0.0.0～10.255.255.255，網段表示為 10.0.0.0/8。

• B 類私有地址：172.16.0.0～172.31.255.255，網段表示為 172.16.0.0/12。

• C 類私有地址：192.168.0.0～192.168.255.255，網段表示為 192.168.0.0/16。

私有 IP 地址是從 A、B、C 三類公有地址中 “劃出” 的特定網段，由 RFC1918 標準規范，僅用于內部網絡通信，無法直接訪問互聯網。而 D 類和 E 類地址因功能特殊（組播、實驗），不涉及私有 IP 的設計。這種劃分既保證了公網地址的唯一性，又解決了局域網內部設備的通信需求，是互聯網地址管理的重要機制。

四、子網劃分的核心知識

1. 網段的組成

一個網段由網絡地址、可用 IP 和廣播地址組成。例如，對于 192.168.1.189/24 這個 C 類地址：

• 網絡號（網絡地址）是 192.168.1.0。

• 可用 IP 的范圍是 192.168.1.1～192.168.1.254。

• 廣播地址是 192.168.1.255。

2. 子網掩碼的作用

子網掩碼是 32 位二進制數，對應 IP 地址的網絡部分用 1 表示，對應 IP 地址的主機部分用 0 表示。通過 IP 地址和子網掩碼進行按位與（AND）運算，可以得到網絡地址。按位與運算的規則是：1 與 1 結果是 1，1 與 0 或 0 與 1 結果都是 0。

以 192.168.1.0/24 為例：

IP 地址的二進制形式為 11000000.10101000.00000001.00000000，子網掩碼的二進制形式為 11111111.11111111.11111111.00000000，兩者進行按位與運算，得到的網絡地址二進制形式為 11000000.10101000.00000001.00000000，即 192.168.1.0。

將 IP 地址的主機部分全部置 1，得到的就是廣播地址，192.168.1.0/24 的廣播地址二進制形式為 11000000.10101000.00000001.11111111，即 192.168.1.255。

3. 子網劃分的計算

子網劃分的關鍵是從主機位中借出若干位作為子網位，從而增加網絡的數量。

• 子網數 = 2?，其中 n 為子網部分位數。例如，對于 / 26 的子網掩碼，對于 C 類地址來說，n = 26 - 24 = 2，所以子網數為 22 = 4。

• 每個子網可用主機數 = 2? - 2，其中 N 為主機部分位數，N = 32 - 子網掩碼。減 2 是為了排除網絡地址和廣播地址。例如，/26 的子網掩碼，N = 32 - 26 = 6，所以可用主機數為 2? - 2 = 62。

以 192.168.100.100/26 為例：

IP 地址的二進制形式為 11000000.10101000.01100100.01100100，子網掩碼的二進制形式為 11111111.11111111.11111111.11000000。

兩者進行按位與運算，得到網絡地址的二進制形式為 11000000.10101000.01100100.01000000，即 192.168.100.64。

將主機部分全部置 1，得到廣播地址的二進制形式為 11000000.10101000.01100100.01111111，即 192.168.100.127。

該子網的可用 IP 范圍是 192.168.100.65～192.168.100.126。

對于 C 類地址 192.168.1.0，不同子網掩碼對應的子網個數、IP 數量和可用 IP 數量如下表所示：

子網掩碼	子網個數	IP 數量	可用 IP
/24	1	256	254
/25	2	128	126
/26	4	64	62
/27	8	32	30
/28	16	16	14
/29	32	8	6
/30	64	4	2
/31	128	2	-
/32	256	1	1

4. 子網劃分的簡便算法

以 / 26 的子網掩碼為例，其對應的子網掩碼為 255.255.255.192，二進制形式為 11111111.11111111.11111111.11000000。可用主機數為 2? - 2 = 62。可用范圍可以通過 256 - 192 = 64 來計算，即 0～63、64～127、128～191、192～255。

對于不同類型的 IP 地址，判斷 n 的值（子網部分位數）的方法如下：

• A 類地址：n = 子網掩碼 - 8。

• B 類地址：n = 子網掩碼 - 16。

• C 類地址：n = 子網掩碼 - 24。

再來看 172.16.0.200/20 這個 B 類地址的例子：

IP 地址的二進制形式為 10101100.00010000.00000000.11001000，子網掩碼的二進制形式為 11111111.11111111.11110000.00000000。

兩者進行按位與運算，得到網絡地址的二進制形式為 10101100.00010000.00000000.00000000，即 172.16.0.0。

子網數 = 2? = 16（因為對于 B 類地址，n = 20 - 16 = 4）。

主機數 = 212 - 2 = 4094（N = 32 - 20 = 12）。

子網劃分是網絡管理中不可或缺的技能，它能幫助我們根據實際需求合理分配 IP 地址，提高網絡的安全性和效率。通過掌握上述知識，我們可以更好地進行子網規劃和網絡維護。