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计算机网络第四章(3)——网络层《IPV4（子网划分、子网掩码）》

news 2025/7/22 10:47:17

考试重中之重，会有70多道例题！！

一、子网划分

1）为什么要有子网划分

分析：
原因1：一个公司分到一个网络号之后，公司内部可能还要划分【各个部分】，【各个部门】应该拥有【自己部门的一个范围的ip地址】划分；
原因2：另外，即使使用C类ip地址（网络号占3字节，主机号最少），有的小公司依旧没有那么多的主机需要占用那么多ip的主机号，那样就会浪费这个网络号地址的主机分配
比如：A公司只有3台电脑，结果使用C类ip、占有了【192.168.1.0】这个ip网段，那么就3个设备却浪费【(2^8-2) - 3 = 251】个空余的ip地址

那么就诞生了子网划分，它的原理是在原有的【网络位】+【主机位】划分基础上，往【主机位】再【借n位】，从而能划分更多子网（划分的n位里每一位都可以是1、也可以是0）

总结：

2）子网划分的好处！！

主要注意的是，子网划分相当于原本把一个【路由器】连接的一个【广播域】：
拆分成N个小的【广播域】！！！！！
（相当于局域网里划分 “虚拟局域网”一样，即使各个子网还是用集线器或交换机连接，但是逻辑上子网已经变成了一个【广播域】）
还未子网划分的网络叫【二级编址】，【一级网址】是网络号，【二级网址】是主机号
划分了子网的网络叫【三级编址】，【一级网址】是网络号，【二级网址】是子网号，【三级网址】是主机号
而【子网】仅仅在本网络内有效，对于外部网络的视角，依旧是【二级编址】

3）例题

二、子网掩码

1）子网掩码作用

一个发送方如果发信息，要先判断【目的IP地址】

如果发现是发给【别的网络】的主机，就需要把信息交给【默认网关】的路由器，再由路由器转发出去别的网络
而如果是发给【和自己同属一个网络】的主机，则不需要经过【默认网关】，直接精准送达给同网络的接收方

【在没进行子网划分的时候】

那么发送方在检查【接收方的目的地址】和自己是否同属于一个网络时，
只需要看【网络号】是不是一样

【进行子网划分的时候】

而进行了【子网划分】后，即使网络号相同也不一定是在一个网络内了
所以，发送方在检查【接收方的目的地址】和自己是否同属于一个网络时，
要连同【子网号】一起检查
；
；
但是要怎么从主机号范围提取出【子网号】？
一个公司获得【网络号】后只有【网络号】固定不变，【主机号】可以随意变，你怎么保证在【主机位】随机变化下【子网号】保持不变？？？
那么此时【子网掩码】就发挥作用了
那么你可以理解【子网掩码】是一把锁，他会锁住这一网段的【网络号 + 子网号】，允许剩下的主机号随意变化来分配ip地址
发送方使用它的规则是：
将自己的【源地址】跟【子网掩码】用二进制形式进行【逐位相 “与&”】，提取出【网络号 + 子网号】（后面统称为【网络前缀】）
再将接收方的【目的地址】跟【子网掩码】用二进制形式进行【逐位相 “与&”】，提取出【网络号 + 子网号】（后面统称为【网络前缀】）
然后进行判断【网络前缀】是否一致，一致则说明是一个子网内，不一致则要转发给【默认网关】

2）子网掩码怎么表示？

刚刚的例子我们知道了用【子网掩码】可以检测提取出【网络前缀】是不是同属一个子网，但是这个子网掩码究竟怎么得来的？

子网掩码也是一个4个字节（32bit）的二进制码，转化成十进制的话，每个字节跟ip地址同样都是0~255范围。

然后重点，他的表示形式就是：
【网络前缀（网络号 + 子网号）】固定死，所以子网掩码的【对应二进制位都是1】；
反之，可以变化、分配的【主机号部分】，子网掩码的【对应二进制位是0】
那么通过前面的解释可以发现，之所以子网掩码里【可变部分0】，是因为可变部分的ip地址不管是1还是0，和子网掩码【相与计算】后都是0，可以直接丢掉不管；而【不可变部分1】，就可以完整还原出【网络前缀（网络号 + 子网号）】

3）带子网划分的【IP地址完整形式】

我们前面已经知道了：【网络前缀】的二进制都是【1】，剩下的主机位都是【0】
那么专业的【IP地址完整形式】是：在最后加上【/ 子网掩码1的个数】
；
例子1：
假设一个C类ip地址是：192.168.1.1，子网掩码是：255.255.255.0
那么转换成二进制就是
网络地址是：11000000.10101000.00000001.00000001
子网掩码是：11111111.11111111.11111111.00000000
可以看到子网掩码有【24个1】，也就称为是一个24位掩码
然后现在把网络地址和24位掩码组合就是【IP地址完整形式】
        那么也就是32位里有32 - 24 = 8位可以任意变，于是根据二进制算法可以得出共2^8=256 种可能
        然后因为【主机号全是0的是网络地址】、【主机号全是1的是广播地址】不能用，所以可用的ip地址是 256 - 0 - 2 = 254 个
；
；
例子2：
还是C类的ip网络地址：192.168.1.1，子网掩码换成：255.255.254.0
那么转换成二进制就是
网络地址是：11000000.10101000.00000001.00000001
子网掩码是：11111111.11111111.11111110.00000000
所以子网掩码是23位掩码
【IP地址完整形式】就是：192.168.1.1 / 23
        那么可变位是9位，一共就是 2^9 = 512 种可能，然后因为【0.0 (主机号全是0的是网络地址)】、【1.255 (主机号是255的是广播地址)】不能用，那么最终可用的ip是 512-2 = 510

4）注意【路由转发表】区别

【不支持子网划分的路由转发表】

就只有各个节点【ip地址】+【转发接口】

【支持子网划分的路由转发表】

有各个节点【ip地址】+【子网掩码】+【转发接口】
；
；
那么可以发现，这几个例子里，【支持子网划分】的网络里，【路由转发表】要怎么记录接了【不支持子网划分的】网络的接口信息呢？
只需要根据它是A、B、C哪一类网络，然后配上默认的子网掩码，这个默认子网掩码说白了就是固定【网络号位置全1、主机号位置全0】
；
；
这是【ABC三类标准IP地址】（不支持子网划分），对应的【默认子网掩码】的样子

【其他网络（不存在路由表的）ip地址】

        那么还是这个图片例子，现在要发一个信息给这个地址【111.2.3.4】，压根不知道这地址是哪来的地址，可能是发给美国、南极、月球、天王星.......反正没一个路由表记录了这个接收方【目的地址】
那么我们前面提过。【ipv4的特殊地址】里，【网络号全0、主机号全0】是【本网络】，表示还没有记录这个节点的ip地址的时候默认的一个地址（任何地址一开始都可以是0.0.0.0）
        那只需要对于【未知ip地址】，设置【默认网关是：0.0.0.0】，那么【相与计算】后的结果必然是【0.0.0.0】，这个地址就对应了【默认位置IP地址：0.0.0.0】
        于是会从【对外接口】传出去，由别的路由器继续按这个步骤一直往外传，直到传到有记录了这个【111.2.3.4】未知地址的路由表的网络为止......

三、实际路由器的IP数据报转发过程

1、先看概括总结

2、结合交换机数据链路层MAC寻址回忆

1）网络层路由器IP寻址（开始状态）

（本人根据自己的总结叫豆包整理的）

2）数据链路层MAC寻址（开始状态）

那么数据链路层【数据帧】还会携带
【源地址】+【目的地址】的【IP地址】
发送方的【MAC地址】
但是接收方【MAC地址】未知，但可以设置成默认的广播信号【全1地址（48位）】
然后由交换机进入【学习模式】：
先把发送方的【mac地址】记录到【交换机存储转发表】
然后交换机通过【网络层的ARP协议】进入【泛洪模式】：
根据接收方的未知默认【广播信号】，向所有接口发出这个帧 (除了进来的接口)

3）接收方【网络层检查】+【数据链路层返回】

各个接口网络网络层会提取IP数据报的【目的地址IP地址】
来根据【子网掩码】判断是不是给自己当前子网的信息
如果这个IP地址是当前子网的，那么【ARP协议】根据数据链路层的【泛洪模式】发给各个主机
然后各个主机在广播完信息之后，检查【目的ip地址】是不是给自己的，是自己的就接收，不是给自己的就丢弃
当接收方发现该信息是给自己的之后，会接收、并马上响应ARP应答数据回去，而此时【接收方】就已经转变成了【发送方】
然后此时交换机将【发送方（刚才的接收方）MAC地址】记录入【存储转发表】
然后交换机的进入【转发模式】，开始根据【存储转发表】里记录的各个主机的MAC地址正式开始【点对点精准转发】
如果这个IP地址不是当前子网的，那么网络层的路由器再根据对应【网络前缀】的【网络号】的接口传出去，不用到达自己网络的数据链路层
如果压根【路由转发表】就没有这个接口信息，那也用【默认路由：0.0.0.0】发出去

4）总结

注意，ARP协议主体是路由器，他只是用于在数据链路层通过IP地址来寻找MAC地址

四、例题

这题跟上面一样，他没有给出一开始申请时的子网掩码的长度是多少，那么我就先按照ABC三类对比，很明显是C类又往后借了1位

题目明确给出了一开始申请ip地址块的时候就是22位的子网掩码，而且看ip地址是在128.0.0.0~191.0.0.0，所以这应该是在B类ip网络上的一个变形网段，我们只需要注意一点：如果后期要划分子网的话，我们只能在这个22位的基础上继续往后借位，而不是往前，这个子网掩码就是最初定好给这个公司的了

2）具体划分案例

先看下面这个例子

那么现在捋一下要求，我们可以知道：

1、我们现在至少要划分出3个子网用于给3个部门
2、其中一个部门最多的主机是50台，那么我们划分的每一个子网分配ip的数量至少不能少于50个

那么根据二进制算法（其实也是排列组合的知识点）：
;
假如我们向主机位借N位作为子网号，那么至少可能有2^N种子网可能（包括了主机号全0、主机号全1的两个非用地址）
;
假如我们的主机位是M位，那么借了N位作为子网号，那就还剩M-N位是主机号，可分配的ip也就是2^(M-N) - 2个（不包括了主机号全0、主机号全1的两个非用地址）
;
所以，而划分的子网数量应该是：2^N >= 3，也就是N=2，就能得到00、01、10、11，4个子网完全够3各部门使用了
每个子网可划分的ip主机地址应该：2^(8-N) - 2 >= 50，也能得出N=2，主机号是6位，每个子网都有62个ip地址可分配，也够每个部门所有设备都分配得到了