网络编程——计算机网络基本常识之子网掩码小结

Posted 2021-08-09 CrazyMo_

引言

将两台以上计算机组网是件很容易的事，接入同一个交换机，设置同一个网段的IP地址和一样的子网掩码就搞定了。说起子网掩码大家都不陌生，就是那个默认的“255.255.255.0”，可子网掩码到底是什么，究竟有什么作用呢？

IP地址是以网络号和主机号来标示网络上的主机的（即计算机在网络内的唯一标识），我们把网络号相同的主机称之为本地网络，网络号不相同的主机称之为远程网络主机，本地网络中的主机可以直接相互通信；远程网络中的主机要相互通信必须通过本地网关（Gateway）来传递转发数据。

一、子网掩码相关术语概述

1、子网掩码的定义

子网掩码（Subnet Mask）又叫网络掩码、地址掩码，子网掩码与IP地址一样都是由4个数段组成，每个数段的取值范围是0-255（共256个值，即2的8次方），在计算机网络中子网掩码与IP地址是必须组合使用的，子网掩码由连续的1和0组成：

• 连续的1表示网络地址（网络号），1的个数代表网络号的长度
• 连续的0表示每个子网中的主机地址，0的个数代表主机号的个数

2、子网掩码的表示

2.1、点分十进制表示

把二进制转换十进制，每8位用点号 . 隔开，例如子网掩码二进制11111111.11111111.11111111.00000000，点分十进制表示为255.255.255.0

2.2、CIDR 斜线表示

在点分十进制表示法后附加上 /n ，即IP / n，其中n 为1到32 的整数代表网络号（即二进制系列中1的个数），可以通过n 来计算子网中主机数=2的（32-n)次方再减去2。例如192.168.6.88/16，其子网掩码表示为255.255.0.0，二进制表示为11111111.11111111.00000000.00000000 又称为16位掩码；172.16.198.108/24，其子网掩码表示为255.255.255.0，二进制表示为11111111.11111111.11111111.00000000 又称为24位掩码；172.168.66.88/20表示其掩码为255.255.240.0，二进制表示为11111111.11111111.11110000.00000000。

3、网关和网关地址

连接两个不同的网络的设备都可以叫网关设备（Gateway），计算机的网关就是到其他网段的出口，网关的作用就是实现两个网络之间进行通讯与控制，因此网关设备可以是 交互机（三层及以上才能跨网络）、路由器、启用了路由协议的服务器、代理服务器、防火墙等，默认网关指的是一台主机如果找不到可用的网关，就把数据包发给默认指定的网关（一台主机可以有多个网关），由这个网关来处理数据包。现在主机使用的网关，一般指的是默认网关。自动设置默认网关自动设置就是利用DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol, 动态主机配置协议）服务器来自动给网络中的计算机分配IP地址、子网掩码和默认网关 。一旦网络的默认网关发生了变化时，只要更改了DHCP服务器中默认网关的设置，那么网络中所有的计算机均获得了新的默认网关的IP地址。这种方法适用于网络规模较大、TCP/IP参数有可能变动的网络。而网关地址就是网关设备的IP地址。如果网络A中的主机发现数据包的目的主机不在本地网络中，就把数据包转发给它自己的网关，再由网关转发给网络B的网关，网络B的网关再转发给网络B的某个主机。网络A向网络B转发数据包的过程。

网关地址可以是本网段中任何一个地址，不过通常使用该网段的第一个可用的地址或最后一个可用的地址，这是为了尽可能避免和本网段中的主机地址冲突

4、子网掩码可以

IP地址就是计算机在网络中的唯一身份ID，IP地址 = 网络地址（网络号） + 主机地址（主机号）。子网掩码可以分离出IP地址中的网络地址和主机地址，两台主机要通信，首先要判断是否处于同一网段，即网络地址是否相同。如果相同，那么可以把数据包直接发送到目标主机，否则就需要路由网关将数据包转发送到目的地。

• 只有通过子网掩码，才可判断一台主机所在的子网与其他子网的关系，子网掩码和IP地址做“与”运算可以分离出IP地址中的网络地址和主机地址，用于判断该IP地址是在本地网络上，还是在远程网络网上。具体算法：

判断是否同一网段是的算法是 ： A 主机IP & A 主机的掩码 ？= B 主机IP & B 主机的掩码 结果相等则在同一网段，在同一网段意味着A可以通过ARP广播发现B的MAC地址，同样B也可以发现A的MAC地址，从而互相通信；不同网段时则，ARP广播会在本地网关终结，此时A会把发给B的数据包先发给本地网关，网关再根据B主机的IP地址来查询路由表，再将数据包继续传递转发，最终送达到目的地B。

• 作为划分子网的依据，子网掩码还用于将网络进一步划分为若干子网，以避免主机过多而拥堵或过少而IP浪费。

子网掩码与IP地址都是由4个数段组成，每个数段的取值范围是0-255（共256个值，即2的8次方），在计算机网络中子网掩码与IP地址是组合使用的，子网掩码由连续的1和0组成，连续的1表示网络地址，连续的0表示每个子网中的主机地址，通过0的个数可以计算出子网的容量（即子网中主机的IP地址范围，该掩码同一网段下可以分配多少个IP）

5、IP地址和子网掩码

根据IP地址和子网掩码，计算网络地址：
①、将IP地址与子网掩码转换成二进制数。
②、将二进制形式的 IP 地址与子网掩码做“与”运算。
③、将得出的结果转化为十进制，便得到网络地址

即IP地址和子网掩码做与运算，把IP地址的主机位直接归0，就快速得到网络地址。

IP地址分为A、B、C、D、E五类IP地址分为五类：

IP地址分类	使用对象	特点	范围	默认掩码	保留和私有地址
A	保留给政府机构	第1字节为网络地址，其它3个字节为主机地址，当将IP地址写成二进制形式时，第1个字节的第一位总是0（从左往右）	1.0.0.1—126.155.255.254	255.0.0.0	①10.X.X.X是私有地址（即在互联网上不使用，而被用在局域网络中）。 ② 127.X.X.X是保留地址，用做循环测试用的。
B	分配给中等规模的公司	第1字节和第2字节为网络地址，其它2个字节为主机地址，B类地址的前两位总是10	128.0.0.1—191.255.255.254	255.255.0.0	① 172.16.0.0—172.31.255.255是私有地址 ② 169.254.X.X是保留地址。如果你的IP地址是自动获取IP地址，而你在网络上又没有找到可用的DHCP服务器。就会得到其中一个IP。
C	分配给任何需要的人	第1字节、第2字节和第3个字节为网络地址，第4个个字节为主机地址，前三位总是110	192.0.0.1—223.255.255.254	255.255.255.0	192.168.X.X是私有地址
D	用于组播	不分网络地址和主机地址，它的第1个字节的前四位固定为1110	224.0.0.1—239.255.255.254	缺省	无
E	用于实验	不分网络地址和主机地址，它的第1个字节的前五位固定为11110	240.0.0.1—255.255.255.254	缺省	无

其中A类、B类、和C类这三类地址用于TCP/IP节点，其它两类D类和E类被用于特殊用途。而掩码主要分为默认的三类和自定义的掩码。

6、DNS 服务器

域名与DNS，当我们访问一个网站时，虽然输入的是域名，但是网络本质上是通过IP进行通信的，DNS 服务器就是把域名解析为对应的IP。在DNS 维护着 域名(domain name)和IP地址 (IP address)的对照表表，以解析消息的域名，大致流程如下：

• 在浏览器中输入一个域名时，操作系统会先检查自己本地的hosts文件是否存在与这个域名对应的映射关系，如果找到，就直接使用这个IP地址映射，完成域名解析。

• 而如果hosts里没有这个域名的映射，则首先查找本地DNS解析器缓存，是否有这个网址映射关系，如果有，直接返回，完成域名解析。

• 但如果hosts与本地DNS解析器缓存都没有相应的网址映射关系，首先会找TCP/IP参数中设置的首选DNS服务器，在此我们叫它本地DNS服务器，此服务器收到查询时，如果要查询的域名，包含在本地配置区域资源中，则返回解析结果给客户机，完成域名解析，此解析具有权威性。

• 如果要查询的域名，不由本地DNS服务器区域解析，但该服务器已缓存了此网址映射关系，则调用这个IP地址映射，完成域名解析，此解析不具有权威性。

• 但如果本地DNS服务器本地区域文件与缓存解析都失效，则根据本地DNS服务器的设置（是否设置转发器）进行查询，如果未用转发模式，本地DNS就把请求发至13台根DNS，根DNS服务器收到请求后会判断这个域名(.com)是谁来授权管理，并会返回一个负责该顶级域名服务器的一个IP。本地DNS服务器收到IP信息后，将会联系负责.com域的这台服务器，这台负责.com域的服务器收到请求后，如果自己无法解析，它就会找一个管理.com域的下一级DNS服务器地址给本地DNS服务器。当本地DNS服务器收到这个地址后，就会找域名对应的域服务器，重复上面的动作，进行查询，直至找到目标主机。

• 如果用的是转发模式，此DNS服务器就会把请求转发至上一级DNS服务器，由上一级服务器进行解析，上一级服务器如果不能解析，或找根DNS或把转请求转至上上级，以此循环。不管是本地DNS服务器用是是转发，还是根提示，最后都是把结果返回给本地DNS服务器，由此DNS服务器再返回给客户机。

二、子网掩码的简单应用举例

子网掩码与IP地址都是由4个数段组成，每个数段的取值范围是0-255（共256个值，即2的8次方），在计算机网络中子网掩码与IP地址是组合使用的，子网掩码由连续的1和0组成，连续的1表示网络地址，连续的0表示每个子网中的主机地址，通过0的个数可以计算出子网的容量（即子网中主机的IP地址范围，该掩码同一网段下可以分配多少个IP）；IP地址是计算机在网络内的唯一标识。如我们在搭建局域网时通常用到的IP地址192.168.1.1，配置子网掩码为255.255.255.0，转换成机器能识别的二进制后，一个完整的IP地址或子网掩码就转换成32位二进制序列——即11111111 . 11111111 . 11111111 . 00000000，从二进制序列中可以得到该子网掩码由由24个1和8个0组成，那么8个0代表该子网掩码可划分出的子网容量为256（2的8次方）个IP地址，换言之只要再IP 在192.168.1.0~192.168.1.255 范围的都属于同一网段，但是因为规定每个子网的第一个IP地址——192.168.1.0为网段地址，最后一个IP地址——192.168.1.255为广播地址，都不可用，因此真正可用的只有254个，只要在这个网段内的设备就可以互相通信。

IP地址还是192.168.1.1，配置其子网掩码为255.255.255.252时，又是怎么划分子网的，同样转为二进制序列 11111111 . 11111111 . 11111111 . 11111100，得知有30个1和2个0，则代表每个子网中只有4个IP地址（2的2次方），但是192.168.1.0_{192.168.1.255的地址段一共有256个，很明显不可能只有一个子网（网段），因此一共可划分64个子网，第一个子网的地址范围是192.168.1.0}192.168.1.3，第二个子网的地址范围是192.168.1.4~192.168.1.7 依次类推。但每个子网第一个和最后一个IP地址不可用，换言之如果把子网掩码设置为255.255.255.252的话，那么第一个子网内最多只能容纳3个设备，如果把一台设备的IP设为192.168.1.1，另外一台电脑的IP必须设置为192.168.1.2 或者 192.168.1.3 才能确保互相可以通信。

再来一个通过以上两个例子读者应该明白子网掩码的作用了，下面通过一个实际的例子检验刚才的学习成果。

某个小型公司有四个部门：行政、研发、营销、售后，每个部门各40台计算机接入公司局域网交换机，如果要在192.168.1.0网段为每个部门划分子网，子网掩码应该怎么设置，每个子网的地址范围分别是什么？192.168.1.0网段共256个地址，划分4个子网，每个子网需要64个地址；64是2的6次方，子网掩码应该以6个0结尾，剩下的用1补齐，由26个1和6个0组成，转换成十进制是255.255.255.192；每个子网共64个IP地址，掐头去尾后可用地址只有62个，第1个子网的可用IP地址范围是：192.168.1.1-62，第2个子网可用IP地址范围是192.168.1.65-126，第1个子网的可用IP地址范围是：192.168.1.129-190，第2个子网可用IP地址范围是192.168.1.193-254；该公司各部门计算机按照3中的IP地址范围进行设置，所有计算机的子网掩码都必须设置为255.255.255.192，设置完毕后各部门内的计算机能正常联网，不同部门间的计算机无法直接联通。

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