Linux之IP＜2＞

网段划分

IP网段划分是什么

核心公式

IP 地址 = 网络标识（网络号） + 主机标识（主机号）

1. 上方子网：192.168.128.0/24
   • 网络号固定：192.168.128
   • 主机号：最后一段，同一个子网里，主机号不能重复
   • 例子：192.168.128.10、192.168.128.11、192.168.128.1
2. 下方子网：192.168.144.0/24
   • 网络号固定：192.168.144
   • 主机号：最后一段
   • 例子：192.168.144.10、192.168.144.11、192.168.144.1

路由器连接两个子网，路由器有两个接口，分别属于两个网段：

• 上接口：192.168.128.1（属于 128 子网，是这个子网主机的网关）
• 下接口：192.168.144.1（属于 144 子网，是这个子网主机的网关）

为什么要进行网络划分

我们先从一个例子进行切入

此时你该怎么找到失主???

故事还原

张三捡到钱包，只有失主学号：06123

1. 学号开头06 → 代表机械学院（网络号）；后面123是该学院里面这名学生编号（主机号）
2. 张三不知道这个学生是谁，直接在校门口挨个问所有人，相当于广播遍历全网，效率极低，不可行。
3. 张三把学号发给学校总辅导员（路由器）
   • 辅导员只看学号前缀（网络号），判断属于机械学院，不需要知道具体学生是谁。
   • 转发消息给机械学院辅导员（下一跳路由器）
4. 机械学院辅导员拿到学号，看后半段123（主机号），在本院内部直接找到这名学生，通知失主。

1. 路由器只看 IP 的网络号，不关心主机号。就像总辅导员只看学号前缀判断学院，不关心学生在学院里的个人编号。
2. 目标子网内部的网关，拿到数据包之后，才使用主机号，在子网里面找到最终主机。
3. 路由转发逻辑：先根据网络号找到目标子网；进入子网后，再依靠主机号定位主机。

查找的本质是淘汰。线性查找一次淘汰一个；二分一次淘汰一半；IP 路由最长前缀匹配，依靠前缀 Trie 一次性淘汰大量不匹配网段，实现快速查表。

怎么做的

过去曾经提出一种划分网络号和主机号的方案, 把所有IP 地址分为五类,

A类 0.0.0.0到127.255.255.255 

B类 128.0.0.0到191.255.255.255

C类 192.0.0.0到223.255.255.255

D类 224.0.0.0到239.255.255.255

E类 240.0.0.0到247.255.255.255

B 类地址在实际应用中越来越受欢迎，但随着网络规模扩大，B 类地址也逐渐不够分配。与此同时，IPv4 地址空间不足的问题日益突出，因此人们提出了 CIDR 这种更灵活的地址划分方式，并逐步引入 IPv6 等方案，从根本上解决地址短缺问题。

分类划分法最大的问题:IP地址使用不充分

解决--子网掩码

1、什么是 CIDR（无类别域间路由）

传统 IP 会硬性把 IP 分成 A/B/C 类；CIDR 不再看 A、B、C 类别，而是手动指定多少位作为网络号。 用/数字这种写法，就是 CIDR 标记法，例如图里的 /24。

2、子网掩码 subnet mask

子网掩码是 32 位二进制，前面全是1，后面全是0

不再区分 A、B、C 类 IP，子网掩码自由定义，/n代表前 n 位是网络位

子网掩码，可以从原来长长的主机号里面，拿出前面若干位，借来当「子网的网络位」

• 原本：后面 24 位全部是主机号
• 子网划分：从这 24 位的最左边，截取 N 位，升级变成子网网络号；剩下的才保留为主机位。

举例子： A 类地址，拿 8 位主机位当子网位 → 总网络位 = 8+8 =16 位，CIDR 写法/16 掩码：255.255.0.0 这样就把1 个巨大的 A 类主网，切分成很多个小网段（子网），不会一次性浪费上千万 IP。

特殊 IP 地址

1. 网络号（网段地址）

将 IP 地址里主机位全部置 0 → 网络号，代表整个局域网网段，不能分配给任何主机使用。

例子：192.168.128.0/24

• /24，前 24 位网络位，最后 8 位主机位。
• 主机位全部写 0：192.168.128.0
• 含义：代表192.168.128.x这一整个网段，不是某一台电脑。

2. 广播地址

将 IP 地址里主机位全部置 1 → 广播地址。 作用：向同一个网段内所有主机同时发送数据包。也不能分配给主机。

例子：192.168.128.0/24 主机位 8 位全部置 1，二进制11111111，十进制255 广播地址：192.168.128.255 发给这个地址的数据包，网段内所有设备都会收到。

✅ 重点结论： 一个网段里，网络地址、广播地址不能分给主机，所以可用主机数 = \(2^{主机位数}-2\)

3. 环回地址 loopback：127.*.*.*

• 整个127.0.0.0/8段都属于环回地址，最常用：127.0.0.1
• 特点：永远只访问本机，数据包不会发到外网 / 网卡，只在电脑内部协议栈测试。
• 用途：测试本机 TCP/IP 协议栈是否正常。 比如：ping 127.0.0.1，ping 通代表本机网络协议没问题，和网线、外网无关。

IPv4 地址数量限制与解决方案

一、IPv4 地址的局限

IPv4 地址是32 位（4 字节），理论总数量：\(2^{32}\)，约 43 亿个。

1. 并不是一台主机对应 1 个 IP：一块网卡就要分配至少 1 个 IP，一台多网卡设备会占用多个 IP。
2. 还有大量特殊 IP（网络号、广播地址、环回地址、私有地址）不能分配给互联网主机，实际可用公网 IP 远小于 43 亿。
3. CIDR 无类别编址： ✅ 好处：提高 IP 利用率、减少地址浪费 ❗ 局限：只是优化分配方式，不会增加 IP 地址总数量，依然不够用。

二、三种解决 IPv4 地址枯竭的方案

1. 动态分配 IP（DHCP） 只给当前在线接入网络的设备分配 IP；设备下线后 IP 回收，可以重复分给别的设备。 同一个设备（MAC 不变）每次上网拿到的 IP 可能不一样。
2. NAT 网络地址转换（重点考点） 内网设备共用同一个公网 IP 上网，大量内网主机只消耗 1 个公网 IP，是现在最主流方案，后面会详细讲。
3. IPv6

• 地址长度：128 位（16 字节），地址空间极其巨大；
• 注意：IPv6 不是 IPv4 简单升级，二者是两套独立协议，互相不兼容；
• 现状：部署普及度还不够高。

私有IP地址和公网IP地址

核心概念

• 公网 IP（蓝色部分）：互联网上全球唯一的 IP 地址，除私有 IP 段以外的 IPv4 都属于公网 IP，可以直接在互联网路由访问。
• 私有 IP（内网 IP，黄色部分）：专门留给局域网（内网）使用，不能直接在公网路由；由路由器搭建内网使用。

三大私有 IP 网段

1. A 类私有段：10.0.0.0/8 前缀10.*，前 8 位是网络位；总地址数量：16,777,216 个
2. B 类私有段：172.16.0.0 ~ 172.31.0.0 /12 172.16.* ~ 172.31.*，前 12 位网络位；总地址数量：1,048,576 个
3. C 类私有段：192.168.0.0/16 192.168.*，前 16 位网络位；总地址数量：65,536 个

我们先来了解一下运营商

为什么我们交话费给运营商？

运营商负责物理基础设施：基站、光纤、交换机、骨干路由。

• 话费本质是：租用运营商的通信线路资源，让你的手机可以接入这张通信网络，收发数据、打电话。
• 抖音、支付宝只提供软件服务，它们不负责把信号传到你的手机上，所以流量费交给运营商，不是交给 APP。

为什么没有话费还可以拨打运营商客服电话（10086/10010）

运营商把客服号码标记成紧急 / 特权号码： 欠费停机后，语音通道保留呼叫客服的权限，不消耗套餐话费，属于基础通信保障； 但是上网流量会直接断开，只能打指定客服、紧急号码（110/120），不能打普通手机号。

我国互联网经济为什么发展好

1. 运营商基建完善：国内光纤、5G 基站大规模铺设，网络接入成本低，大量普通人可以低成本接入互联网（图中间的云覆盖广）。
2. 海量用户基数：左侧大量用户，为抖音、支付宝这类互联网应用提供巨大市场。
3. 应用生态丰富：右侧孵化大量互联网业务，线上支付、短视频、电商互相促进，形成完整闭环。

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路由器有至少两个接口，每个接口属于不同子网：LAN 口（内网子网 IP）、WAN 口（上一级子网 IP）。

路由器本身，同时处在两个子网里面，这是跨网段转发的根本。

家用路由器

• LAN 侧（内网）：192.168.1.1/24，构建内网子网，家里电脑 / 手机192.168.1.200/24、192.168.1.201/24都在这个子网。同子网主机可以直接通信，不需要路由。
• WAN 侧：10.1.1.2/24，这个 IP 属于运营商路由器构建的10.1.1.0/24子网。 ✅ 家用路由器，对于家里设备是网关；对于上层运营商路由器，它就相当于一台普通主机。

运营商路由器

• LAN 口：10.1.1.1/24，管理所有家用路由器（所有家庭的 WAN 口都在这个子网）
• WAN 口：122.77.241.5/24，接入广域网，属于公网子网，最终连到远端服务器122.77.241.3/24

网络分层规划时，越靠近终端用户的子网，分配的地址空间越小；上层运营商汇聚网络，使用更大的私有地址段。

我们设想一个错误的发包流程：内网主机192.168.1.201直接带着私有源 IP 向外发送数据包，目标 IP 为公网服务器122.77.241.3。 数据包可以一路路由到达服务器，服务器可以成功接收请求。但当服务器构造响应报文时，目的地址填写的是私有 IP192.168.1.201。 公网路由器不识别私有网段，无法转发这个应答报文，响应包会直接丢失。

实际上发包的时候src是会发生变化的

路由器会把内网主机的子网源 IP 替换为自身 WAN 口 IP，再向上转发数据包。数据包进入公网后，源 IP 不会再发生替换。NAT 地址转换这个操作，只在内网出口的家用路由器上完成。

转载自 CSDN-专业IT技术社区

原文链接：https://blog.csdn.net/2503_92261635/article/details/167587618