IP地址与子网掩码（扫盲）

初学者往往搞不清网段划分，更不知道该如何配置子网掩码，今天我来给小白们扫扫盲。
太理论的我今天不想讲，只想结合实例，说明一下，网段的划分。

在阐述正题之前，我们先来说一下10进制，2进制，因为这个问题，要用2进制讲解是最方便的。首先我们知道，
电脑中所有的信息，都是以2进制表示的，IP地址也不例外，IPV4地址是由4个字节的2进制数表示，这4个字节，
在书写时为了表示方便，转换成了10进制，并且用“.”分割，例如：192.168.1.1，表示成2进制就是
1100 0000.1010 1000.0000 0001.0000 0001，同样子网掩码也是这样表示的，比如255.255.255.0，表示成2进制就是
1111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000，众所周知，1个字节所能表示的无符号10进制整数的范围是0~255，
2进制表示，就是0000 0000~1111 1111，那么4个字节，最大就是255.255.255.255，最小就是0.0.0.0。

接下来，我们还要阐述一下基本的2进制逻辑运算。我们只说本次讲义中要用到的，用不到的我也不讲，有兴趣的童鞋，
可以去插度娘。在这里主要就是用到逻辑“与”与逻辑“非”两种逻辑运算，这没啥好讲的，只要记住下面的运算规则即可，
为了阐述方便，我们用“&”表示与，用“!”表示非（取反），

0 & 0 = 0
0 & 1 = 0
1 & 0 = 0
1 & 1 = 1

! 0 = 1
! 1 = 0

到此为止，我们已经掌握了与IP地址有关的最基本的2进制常识了，至于2进制与10进制之间如何的转换，
这里就不再赘述了，有兴趣的童鞋可以插插度娘，想偷懒的，Windows自带的计算器，也提供这个功能。

接下来，我们切入正题，讲解一下，IP地址与子网掩码的关系，我们还是用192.168.1.1/255.255.255.0
来举例说明，稍有经验的童鞋都会知道，子网掩码除了上述表示方式外，还有一个用纯数字的表示方式，
上例可以表示为192.168.1.1/24这里的24是怎么来的呢？细心的童鞋会发现，在我们阐述基本2进制常识时，
255.255.255.0这个子网掩码转换为2进制表示后，是由24个连续的1与8个连续的0组成的，因为一个字节是8位2进制数，
刚才我们说了，1个字节最大表示的无符号整数就是255，所以，255表示成2进制，就是8个连续的1,3个255，
就是24个连续的1，这24就是这么来的。同理255.255.254.0的数字表示方式就是23啦，因为254的2进制是1111 1110。

那么子网掩码到底有啥用呢？与IP地址的关系又是什么呢？别急，我们慢慢讲。还是192.168.1.1这个IP，
我们将这个IP地址，与子网掩码255.255.255.0按位做2进制逻辑与运算后，会得到如下结果
1100 0000.1010 1000.0000 0001.0000 0000，转换成10进制就是192.168.1.0，这是啥？没错，这就是网段地址，
同理，将IP地址与取反（非运算）后的子网掩码进行逻辑与运算得到0.0.0.1，这又是啥呢？这个结果，
就是这个IP所表示的主机地址啦！到此为止，我们已经知道，任意一个IP地址，是由“网段地址”+“主机地址”
2部分组成的，当然这里不是简单的“+”连接，而是实实在在的加法运算。192.168.1.0 与 0.0.0.1，
按字节做加法运算得到的结果就是192.168.1.1。由此得知，通过子网掩码与IP地址做简单的2进制逻辑运算，
就可以将1个IP地址，分解为“网段地址”与“主机地址”，而逻辑运算恰恰是计算机最擅长的数据处理方式。

逻辑运算，是x86构架CPU所有运算中除自增与自减运算外，速度第二快的运算，是可以达到纳秒级的处理速度的。
所以，用子网掩码与IP地址配合，就可以在最短的时间内，分解出IP地址的网段地址，以便计算机以最快的速度，
判断数据包是否需要发送给路由器，如果目标IP地址与源IP地址同段，则不需要路由，如果不同段，则需要路由。

最后，我们再讲讲通过子网掩码是如何划分网段的。通过上面的讲解，我们可以看出来，任意一个子网掩码，
其实是由全1的“网段掩码”与全0“主机掩码”2部分组成的，网段掩码中不允许有0，主机掩码中不允许有1，
这就是为啥说255.255.253.0是非法子网掩码，因为转为2进制就是1111 1111.1111 1111.1111 1101.0000 0000。

我们知道，子网掩码是4个字节，也就是32位2进制数，这32位拆分为2组，一组用来做网段掩码，另一组做主机掩码，
2进制数与十进制数一样，都是位数越多，所能表示的数字就越大，反之就越小，因此，主机容量越大，网段容量就越小，
主机容量越小，网段容量就越大，举例来说，255.255.255.0这个子网掩码的子网，可以容纳256个主机地址（注：①），
同时这个子网掩码可以容纳4,294,967,296个网段地址（仅理论，可容纳不代表可使用，实际使用中还有其他规则限制）。
同理255.255.254.0的主机容量是512，网段容量是8,388,608，而255.255.0.0的主机容量与网段容量，都是65,536。

这里用按字节对齐的子网掩码划分网段，是比好理解的初学者也能容易掌握，但是实际应用中，往往会遇到很多子网掩码，
不是按照字节对齐的，下面我们结合实例着重讲解一下这类子网掩码的使用，为了方便我们用数字表示法来表示子网掩码。
显而易见，

129.168.0.1/24，网段地址：129.168.0.0，主机地址：0.0.0.1
129.168.1.1/24，网段地址：129.168.1.0，主机地址：0.0.0.1
129.168.2.1/24，网段地址：129.168.2.0，主机地址：0.0.0.1
129.168.3.1/24，网段地址：129.168.3.0，主机地址：0.0.0.1

这里的子网掩码是按字节对齐的，所以4个IP分别属于4个网段，但是如果我们将子网掩码改成23位（255.255.254.0），
会有啥结果呢？来，我们按照上面讲的方法，计算一下（请童鞋们自行转为2进制计算），便可得到如下结果

129.168.0.1/23，网段地址：129.168.0.0，主机地址：0.0.0.1
129.168.1.1/23，网段地址：129.168.0.0，主机地址：0.0.1.1
129.168.2.1/23，网段地址：129.168.2.0，主机地址：0.0.0.1
129.168.3.1/23，网段地址：129.168.2.0，主机地址：0.0.1.1

当子网掩码改为22位（即255.255.252.0）时

129.168.0.1/22，网段地址：129.168.0.0，主机地址：0.0.0.1
129.168.1.1/22，网段地址：129.168.0.0，主机地址：0.0.1.1
129.168.2.1/22，网段地址：129.168.0.0，主机地址：0.0.2.1
129.168.3.1/22，网段地址：129.168.0.0，主机地址：0.0.3.1

由此我们看出，当子网掩码由24位（255.255.255.0）减少至23位（255.255.254.0）后，原先分属于4个网段的IP地址，
现在变成2个网段了，而进一步降低子网掩码位数至22位后，4个IP合并到1个网段了，这就再次说明，当主机容量增大时，
网段容量是减少的。

到此为止，童鞋们，应该明白IP地址与子网掩码的关系了，也知道子网掩码是如何划分网段的了，今天的课就讲到这里了，
如还有不明白的地方，欢迎留言，上面阐述过程中，如有疏漏或错误，欢迎批评指正。
————————
注：①主机地址为0~255，其中0与255是保留的，地址为0的主机IP（即网段中第一个IP）用来表示网段地址，
地址为255的主机IP（即网段中最后一个IP）用来做广播地址。

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