十九、网络层篇-好基友：IP地址和子网掩码

伟大的IP协议使用到的是IP地址，这个地址是网络层中的一个最重要、也是我们平时接触最频繁的一个地址，这个地址如此常见，如果我们不能理解它的话，确实是人生一大憾事！

本篇文章旨在一文说清楚IP地址和子网掩码两大概念、他们之间的关系，知其然更要知其所以然，我们要理解为什么要用到这两大神兵！

请注意，我们这里主要学习IPV4协议，即32位的IP地址，来，让我们继续出发，一文搞定IP地址和子网掩码！本文全是文字，但全是干货，知识点不难，希望读者朋友们耐心看下去，本篇思维导图为：

一、网络和机器的地址：IP地址

我们知道我们平时看起来访问各种网站好像很简单，只需要输入一个地址即可，现在才知道实际上我们经过了跋山涉水才到达对方的网络，找到对方的主机。

下面就会有疑问，在学习数据链路层的以太网协议的时候，我们了解了区别局域网内的主机用的是MAC地址，那么跨网络的网络层中也有相应的问题：

在互联网上，我们的网络和其他网络是如何被标识以便区分的呢？？？

和第 2 层有一个地址（MAC 地址）一样，在第 3 层中也有一个地址，那就是IP地址，这是OSI 第 3 层最重要的地址。

IP 地址实际上是网络和机器的地址。

更确切地说，IP 地址的一部分代表网络的地址，另一部分代表机器的地址。

其实我们在上面的示例中看到，每个主机或路由器都有一个IP地址，比如我的小米路由器的IP地址为192.168.31.1。

在迷惑中，我们先来看看为什么要有IP地址，MAC地址不够吗？了解了这个再回过头来看IP地址，就会理解其奥妙所在。

二、为什么有了MAC地址还要IP地址？

这个问题我觉得有必要拎清楚点，尤其对于我们这种初学者而言，很容易被搞懵。首先，我们换个思路来思考这个问题：我们都只用MAC地址，不要给我整乱七八糟的IP地址，我不要了，这样做为什么不行？

因为如果我们只用MAC地址的话，我们会发现路由器需要记住每个MAC地址所在的子网是哪一个（如果连子网也不划分的话，那么每一次收到数据包的路由器都要重新满世界去找这个MAC地址的位置），而世界上最多有2^48个MAC地址（MAC地址之前学习过，是48位），这就意味着即使我们给每个MAC地址只留1字节的存储空间，每个路由器都需要256T的内存，这显然是不现实的。

好了，我们从反面证实了，只有MAC地址确实是不够的，其实也说明了IP地址出现的原因。

当年设计IP地址这个东西，就是因为随着网络中的设备逐渐增多，人们发现路由变得越来越困难。

于是人们想了一个办法，就是把网络划分为很多个子网。当我们需要往某个主机发送消息的时候，就可以先发往它所在的子网，剩下具体是到哪台主机的就是子网内部的事情了，范围大大缩小了，减少了路由器的计算量。

如何快速判断某台主机在哪个子网呢？就是可以根据目标主机的IP地址结合子网掩码来判断，下面我们学习到子网掩码就可以理解了。其实这个问题可以结束了，因为已经完全回答了为什么有MAC地址，而还需要IP地址了。

那反过来，我有了IP地址，那能不能不要MAC地址啊？

三、为什么有了IP地址还要MAC地址？

这个问题就比较简单了，因为IP地址往往是接入网络后才会分配，而不是跟MAC地址一样出厂就有。

这里就能看出两者的区别：MAC地址就像人的指纹一样出生就有且独一无二，或者说像是身份证一样，并且一辈子都不会改变。而IP地址就像是居住地址，如果这台主机是个租客，那么可能要经常变动IP地址了。

我们来回答这个问题，在设备联网还没有IP地址的时候，还需要用MAC地址来区分不同的设备。所以啊，MAC地址也不能缺少！

四、IP地址的表示方式

好了，学习了上面，那么我们又来一个问题了：你说IP地址是网络和机器的地址，是一个合二为一的地址？如何来实现的呢？

我们先来看下IP地址的基本介绍。

IP 地址编码为 32 位。可能先驱们觉得是够了，万万没想到连2020年都没撑到就over了。

摘自腾讯新闻：2019 年 11 月 26 日，是人类互联网时代值得纪念的一天，全球近 43 亿个 IPv4 地址正式耗尽，我们即将向 IPv6 时代迈进。

为了简化 IP 地址的读写，计算机科学家们选择使用点分十进制表示法来编写 IP 地址。用以点分隔的 4 个字节来表示 IP 地址，每个字节的数字是用十进制来表示的，范围从 0 到 255（因为一个字节是 8 个二进制位，2 的 8 次方是 256，而 256 – 1 = 255）。

比如我们的小米路由器IP地址为：192.168.101.1。

由此可以推断出最小的 IP 地址是 0.0.0.0（当地址的所有二进制位均为 0 时），而最大的 IP 地址是 255.255.255.255（当所有二进制位均为 1 时）。

什么？你不知道上面两段话的意思？小伙子，二进制与十进制的转换是计算机的基础哦~这里不会赘述。

好了，我知道IP地址是必须要有的，也知道IPV4协议的IP地址是32位的了，上面的问题还未解答啊：我们说 IP 地址的一部分代表网络的地址，另一部分代表机器的地址，那么，我们怎么知道 IP 地址的哪个部分代表什么呢？这就涉及大名鼎鼎的子网掩码了。

五、子网掩码

上面说了，IP 地址实际上包含两个部分，一部分是网络地址，另一部分是机器地址。

网络地址：英语是 Network Address，network 是网络的意思，address 是地址的意思。这个网络就是机器所在的网络。
机器地址：英语是 Host Address，host 是主机的意思，因此机器地址也被称为主机地址。在计算机领域，一般把与互联网相连的任何一台机器都称为主机（host）。因此我们接下去会用主机地址这个术语来替代机器地址。

正如我们上面做的比喻，主机地址就是居住地址。那么我们在互联网上定位一个主机，就类似去一个小区找人：首先通过网络地址找到这个人是哪个小区的；然后，再用主机地址从这个小区中找到这个人所在的房子即房门号。

小区就是子网地址，房门号就是主机地址。IP地址是这两个地址的合体，不过需要子网掩码来帮助做界定，即哪部分标识小区地址，哪部分标识房门号。

子网掩码的英语是 subnet mask。subnet 是“子网”的意思，mask 是“面具，掩盖，遮盖，遮罩”的意思。

初学者会觉得这个名字好像没啥意义，还特别难记，实际上我们明白了它的作用之后，就会知道这个名字确实已经是很生动形象了，即会明白这里掩盖的意思。

子网掩码实际上就是类似于一个面具，可以掩盖一部分信息，显露一部分信息，从而划分不同的信息。

IP 地址和子网掩码这两个信息是密不可分的，子网掩码指明了 IP 地址的哪一部分是网络地址，哪一部分是主机地址。（不过子网掩码只在IPV4中有用， IPv6中不用），我们可以找台机器看下：

[root@VM_0_13_centos ~]# ifconfig
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 172.17.0.13  netmask 255.255.240.0  broadcast 172.17.15.255
        inet6 fe80::5054:ff:fea3:7d31  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 52:54:00:a3:7d:31  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 90807820  bytes 9186826659 (8.5 GiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 96255008  bytes 15414513594 (14.3 GiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

lo: flags=73<UP,LOOPBACK,RUNNING>  mtu 65536
        inet 127.0.0.1  netmask 255.0.0.0
        inet6 ::1  prefixlen 128  scopeid 0x10<host>
        loop  txqueuelen 1  (Local Loopback)
        RX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 0  bytes 0 (0.0 B)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

我们看eth0，这个标识网卡，下面个lo是本地回环，不用关心。我们可以看到

inet 172.17.0.13  netmask 255.255.240.0  broadcast 172.17.15.255

里面的inet就是代码IP地址，后面个netmask就是子网掩码，我们上面说了，因为子网掩码只是用于和 IPv4 格式的 IP 地址配合，IPv6 格式的地址不需要子网掩码，所以子网掩码和 IPv4 的 IP 地址的格式是一样的，也是 4 个字节。

那么我们来看看子网掩码是如何来区分子网地址和主机地址的。

定义：子网掩码中为 1 的二进制位代表 IP 地址的网络部分（网络地址）。子网掩码中为 0 的二进制位代表 IP 地址的主机部分（主机地址）。

小例子：把 IP 地址 192.168.0.1 与子网掩码 255.255.0.0 相关联。

将十进制表示法转换为二进制就是：

255.255.0.0 -> 11111111.11111111.00000000.00000000
192.168.0.1 -> 11000000.10101000.00000000.00000001

可以看到，这里的子网掩码的前面16bit都是1，后面16bit都是0，那么说明，前面16位是网络地址范围，即192.168.0.0，后面都是主机地址范围。我们知道，一个小区里面不可能就一个住户，那么类比这里，同一个网络地址下，不可能就一台主机，对于我们这里示例，这个网络地址下主机可用的IP地址范围是多少呢？

在这个网络里面的主机地址范围为：192.168.0.0–192.168.255.255，即主机地址全是0到主机地址全是1的范围。

这就是子网掩码的作用，用前面1的个数来确定网络地址（即子网地址），后面0的个数来确定主机地址范围。

定义：网络中可用的 IP 地址数 = 2 的 “子网掩码中 0 的个数” 次方

不过这里面有两个地址比较特殊：

地址范围中的第一个 IP 地址是这个网络的地址本身，此地址不能为某个主机所用。
地址范围中的最后一个 IP 地址是一个特殊地址，即广播地址。该地址也不能为某个主机所用。实际上，它用于标识该网络中的所有主机。

网络地址本身是如何计算出来的呢？直接跟子网掩码进行&操作即可，比如这里的192.168.0.1和255.255.0.0进行&操作的结果就是192.168.0.0，即网络地址本身（没错，就是通过这个方式我们可以来确定属于哪个子网）。

广播地址就很简单了，主机部分全是1即可，即192.168.255.255。

因此，假设一个网络有 16 个可用的 IP 地址，网络中的主机却只能使用 14 个地址，因为第一个和最后一个将保留给该网络的地址和广播地址。这条规则对于任何网络都是如此，总是有 2 个不能为主机所用的地址。

如果这里看明白了，实际上就已经掌握了子网掩码，但是好像有点不对劲。

我们看到上面示例里面的子网掩码好特殊啊，前面全是1，后面全是0，万一有个人告诉我一个子网掩码长这样咋整：11111111.11100011.00000000.00000000。

太棒了，你只要告诉他：你给的是错误的。就可以啦。

到这我们知道了，子网掩码就是这么特殊，前面全是1，后面全是0，不可能1010不断交叉出现。

六、特殊的地址

有部分 IP 地址范围被保留为供私人使用。这意味着，如果你在自己家中或在一个公司内部建立网络，则必须使用这些地址。

正如我们的小米路由器给分配的地址为192.168.31.1,华为路由器分配的是192.168.101.1。

好像都是192打头的地址，这个是有讲究的。

RFC 1918 规定了的私有 IP 地址范围是：

10.0.0.0 / 255.0.0.0 ：对应的地址范围是 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255。被称为 A 类私有地址。
172.16.0.0 / 255.240.0.0 ：对应的地址范围是 172.16.0.0 ~ 172.31.255.255。被称为 B 类私有地址。
192.168.0.0 / 255.255.0.0 ：对应的地址范围是 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255。被称为 C 类私有地址。

可以看到，我们家里路由器用的C类私有地址，因为A类和B类范围比较广，C类的范围够用了。

这些地址不属于互联网上的任何人，因此我的主机将能够访问互联网上的任何站点。

为什么要有私有地址呢？

假设我正在建立一个家庭网络，而我并不知道 RFC 1918。因此，我随机选择了一个网络，例如，网络 104.31.78.0 / 255.255.255.0（对应的网络范围是 104.31.78.0 ~ 104.31.78.255）。

但不幸的是，该网络地址范围属于互联网上的某个人或机构。你也许会认为这并不要紧，因为无论如何，我的网络是私有的，不会打扰到互联网上的任何人。但实际上，我将遇到问题…

例如，我尝试去一个我喜欢的站点，却不能访问了！

因为，我要去的网站的 IP 地址是 104.31.78.104，该地址属于我选择的网络范围（104.31.78.0 ~ 104.31.78.255）。

因此，当我的主机尝试访问此地址时，它会认为该 IP 地址代表的主机位于和自己相同的网络中，因此无法访问该地址，我就无法连接到这个网站。

七、总结

好了，学习了这么多，有必要来做下总结：

IP 地址实际上包含两个部分，一部分是网络的地址，另一部分是机器的地址。
MAC地址就像是人的指纹，IP地址就像人住的房子，前者不会变化且唯一，后者是变化的。各有各自的作用，缺一不可。
IPV4 地址和子网掩码是密不可分的，正是子网掩码指明了 IP 地址的哪一部分是网络地址，哪一部分是主机地址。
子网掩码中为 1 的二进制位代表 IP 地址的网络部分（网络地址），为 0 的二进制位代表 IP 地址的主机部分（主机地址）。
在以二进制形式呈现的子网掩码中，为 1 的位必须在左边，为 0 的位必须在右边，不能混合使用 0 和 1。
属于同一网络的所有主机都有一个共同点：它们的网络地址的所有位都是相同的。
网络中可用的 IP 地址数 = 2 的 “子网掩码中 0 的个数” 次方个。
网络的第一个 IP 地址是主机地址的所有位都为 0 的地址，这个地址也是网络的地址本身，不能为网络中的主机所用。网络的最后一个 IP 地址是主机地址的所有位都为 1 的地址，这个地址被称为广播地址，用于标识该网络中的所有主机，也不能为网络中的主机所用。
私人或公司内部使用的 IP 地址范围是有约束的，由 RFC 1918 定义，这是为了不和互联网上的 IP 地址起冲突。
私有 IP 地址范围是 10.0.0.0 ~ 10.255.255.255，172.16.0.0 ~ 172.31.255.255 和 192.168.0.0 ~ 192.168.255.255 。