深入理解TCP/IP网络：子网划分、地址转换与DHCP配置

### 深入理解TCP/IP网络：子网划分、地址转换与DHCP配置 #### 1. 子网划分的重要性 子网划分是一种让网络管理员更高效利用IP地址32位空间的技术。当前互联网大多基于IPv4协议，它已为互联网服务超过20年。但随着互联网的发展，IPv4有限的32位地址空间面临巨大压力。而子网划分可以创建不受A、B、C类IP地址规模限制的网络，能更灵活地指定IP地址中网络ID和主机ID的部分。 使用子网划分主要有两个原因： - **高效分配IP地址**：如果互联网仅使用A、B、C类地址，每个网络会被分配254、65000或1600万个IP地址用于主机设备。但实际上，很少有网络需要这么多地址，使用子网划分可以避免IP地址的浪费。 - **提高网络性能**：即使一个组织有数千个网络设备，如果所有设备使用相同的网络ID，网络会变得非常缓慢。因为TCP/IP要求具有相同网络ID的计算机必须在同一物理网络上，该物理网络构成一个广播域，所有网络流量都要通过单一网络介质传输。为了提高性能，网络通常会被划分为比C类地址提供的更小的广播域。 #### 2. 子网与子网掩码 ##### 2.1 子网 子网是包含在另一个（A、B或C类）网络内的网络。它通过使用A、B或C类主机位中的一个或多个来扩展网络ID，因此子网的网络ID可以是任意长度，而不是标准的8、16或24位。 例如，一个未划分子网的B类网络被分配了地址144.28.0.0，所有设备共享同一个广播域。而在划分子网后，使用主机ID的前四位将网络划分为两个小网络，即子网16和32。对于外部世界来说，这两个网络仍然看起来是一个标识为144.28.0.0的单一网络。当一个数据包发送到144.28.16.22时，它会先到达144.28.0.0的路由器，路由器再根据主机ID的子网部分决定将数据包路由到子网16还是子网32。 ##### 2.2 子网掩码 为了实现子网划分，路由器需要知道主机ID的哪一部分用于子网的网络ID，这通过使用另一个32位数字——子网掩码来实现。子网掩码中，代表网络ID的IP地址位用1表示，代表主机ID的位用0表示，因此子网掩码总是左边有连续的1，后面跟着一串0。 例如，对于网络ID为16位加上额外4位子网ID的子网，其子网掩码为： ```plaintext 11111111 11111111 11110000 00000000 ``` 即前20位为1，剩余12位为0。完整的网络ID长度为20位，子网地址的实际主机ID部分为12位。 要确定IP地址的网络ID，路由器需要同时拥有IP地址和子网掩码，并对IP地址执行按位逻辑与操作来提取网络ID。例如，使用上述20位子网掩码从IP地址144.28.16.17中提取网络地址的过程如下： ```plaintext IP地址: 10010000 00011100 00100000 00001001 子网掩码: 11111111 11111111 11110000 00000000 网络ID: 10010000 00011100 00100000 00000000 即网络ID为144.28.16.0 ``` 子网掩码通常用点分十进制表示，上述20位子网掩码表示为255.255.240.0。需要注意的是，子网掩码并不代表互联网上的任何设备或网络，它只是一种指示IP地址哪部分用于确定网络ID的方式。 子网掩码还有一些额外的限制： - 网络ID的最小位数为8位，因此子网掩码的第一个八位组总是255。 - 网络ID的最大位数为30位，因为必须至少留两位给主机ID，以允许至少有两个主机。 - 由于网络ID总是由连续的1位组成，子网掩码的每个八位组只有九种可能的值（包括0），具体如下表所示： | 二进制八位组 | 十进制 | | ---- | ---- | | 00000000 | 0 | | 10000000 | 128 | | 11000000 | 192 | | 11100000 | 224 | | 11110000 | 240 | | 11111000 | 248 | | 11111100 | 252 | | 11111110 | 254 | | 11111111 | 255 | #### 3. 私有和公共地址 任何直接连接到互联网的主机都必须有一个全球唯一的IP地址，但并非所有主机都直接连接到互联网。有些主机在未连接到互联网的网络上，有些则隐藏在防火墙后面，通过间接方式连接到互联网。 为此，有几个IP地址块被专门预留用于私有网络或隐藏在防火墙后面的网络，具体范围如下表所示： | 子网掩码 | 地址范围 | | ---- | ---- | | 255.0.0.0 | 10.0.0.1 - 10.255.255.254 | | 255.255.240.0 | 172.16.1.1 - 17