IPv4协议及VLSM可变长子网划分和CIDR无类域间路由
来源 https://blog.csdn.net/hongse_zxl/article/details/50054817
互联网世界一切通信都将IP化。IT行业无论你用哪种语音（C++，Java，PHP等），无论你偏软件或偏硬件，最大公约数之一可能就有IP。国家在搞三网融合，即Internet，电话网，有线电视网将全用IP数据包传输数据。可以说IP是网络的基石。本篇是我对IP协议包括VLSM和CIDR的理解。
IP的责任简单地说就是将数据从源传送到目的地。IP协议被封装在TCPIP 5层协议中的网络层上，具体格式如下：（以下是我个人对IP包头的理解，权威的请查阅wikipedia或RFC791，另文中出现的IP均指IPv4）
1.版本（4位）：
4或6，表示IPv4还是IPv6
2.首部长度（4位）：
指明IP包头部长度（不包含数据）。如没有可选项长度是20 byte。可选项最大40 byte，因此IP包头部最大长度是60 byte
3.优先级与服务类型（8位）（直接RFC791上截图了）：
4.总长度（16位）：
IP包的长度，总长度 - 首部长度 = 数据长度
5.标识符（16位），标志（3位），段偏移量（13位）：
三个结合在一起使用，用于数据分包。比如A->B->C，A的MTU是1500，B的MTU是1000，那B收到A的包转发给C时就要分包：第一个包1000，第二个包500。
标识符（16位）：分包后，每个包上标记相同的值，以便区分哪些包原本是同一个包拆开来的。
标志（3位）：第一位固定是0。第二位DF（Don't Fragment）为1时不切片，这样B收到MTU1500的包就不能分包，无法转发给C只能直接丢弃。第三位MF（More Fragments）为1时表示后面还有切片。
段偏移量（13位）用于分包后合并时确定依次顺序。
6.TTL（8位）：
TTL本是想用做统计时间的，后来变为跳数，最大255，一般为64，每过一个路由器减1，到达目的IP前如果减到0，路由器就将该包丢弃，再通过ICMP回传time exceeded信息，这样可以避免无限环路。
7.协议号（8位）：
用于区分上层（传输层）数据。例如ICMP是1，TCP是6，UDP是17，EIGRP是88，OSPF是89
8.首部校验和（16位）：
校验一下除数据部分外的包头信息以防被篡改。因为TTL值每经过一个路由器都会减1发生变化，因此每经过一个路由器都要重新校验，这很讨厌，所以IPv6里就没有校验和了。
9.源地址（32位），目标地址（32位）：
（顾名思义）
10.可选项：
有4个选项：松散源路由选择，严格源路由选择，记录路由，时间戳
松散/严格源路由选择：用于控制沿途路径。比如A->B1->C也可以A->B2->C，具体走哪条你可以将B1或B2的地址写到这里。区别是：严格里必须规定沿途每个路由器，而松散可以只给出沿途必须经过的一些“要点”
记录路由：记录沿途的IP地址
时间戳：没啥用，路由器转发时可以打个时间，但除非所有路由器的时间精确同步，否则没什么用
11.数据：
（顾名思义，里面包含了上一层传输层的TCP/UDP头部）
上面IP协议里，源地址和目标地址就是家喻户晓的IP地址。
IP地址格式是由网络号和主机号（D类E类除外）合并而成，用点分10进制表示，共32位。分为ABCDE 5类IP地址：
A类地址：
前8位为网络号（首位固定0，后7位是网络地址），后24位是主机号。
A类地址范围：1.0.0.0 ～127.255.255.255 掩码：255.0.0.0（掩码的作用是区分网络号和主机号）
网段中主机位全0的是该网段地址，主机位全1的是该网段的广播地址。因此平时可用于单播的A类IP地址范围：1.0.0.1 ～127.255.255.254
B类地址：
前16位为网络号（前2位固定10，后6位是网络地址），后16位是主机号。
B类地址范围：128.0.0.0 ～191.255.255.255 掩码：255.255.0.0
网段中主机位全0的是该网段地址，主机位全1的是该网段的广播地址。因此平时可用于单播的B类IP地址范围：128.0.0.1 ～191.255.255.254
C类地址：
前24位为网络号（前3位固定110，后5位是网络地址），后8位是主机号。
B类地址范围：192.0.0.0 ～223.255.255.255 掩码：255.255.255.0
网段中主机位全0的是该网段地址，主机位全1的是该网段的广播地址。因此平时可用于单播的B类IP地址范围：192.0.0.1 ～223.255.255.254
D类地址：
用于多播，已经没有网络号和主机号了，前4位固定1110，后28位用于多播地址
D类地址范围：224.0.0.0 ～ 239.255.255.255
E类地址：
用于科研。。。太高端一般接触不到。同样已经没有网络号和主机号了
D类地址范围：240.0.0.0～ 255.255.255.255
有一些用于特殊用途的IP地址：
0.0.0.0：未指定IP
127.0.0.1：本地loopback测试地址
255.255.255.255：本地广播地址
还有一些私有IP地址：
A类地址中：10.0.0.0～ 10.255.255.255（即10网段）
B类地址中：172.16.0.0～172.31.255.255（即172的后半网段）
C类地址中：192.168.0.0～192.168.255.255（即192.168网段）
私有IP地址无法在公网上被使用，但可以在本地被使用。可以用NAT将本地使用的私有IP地址转换成公有IP地址来访问公网，以达到节约IP地址的目的。如企业内部不必每台主机都配一个公网IP，大家尽可使用私有IP地址，并共用多个公网IP来上网。
平时常用ABC 3类IP地址，以A类IP地址为例，只有126个网络，但每个网络都有巨量的主机2^24=16777216。如果一个公司只需要100台主机，那分配给该公司一个A类IP网段的话，将造成大量的IP地址浪费。因此通常只分配一个C类地址，C类地址的主机号是8位，可供2^8-2=254台主机用（-2的原因上面说过了，主机号全0是该网段地址，全1是该网段广播地址），虽然够用，但该公司只需求100台主机，仍旧造成IP地址浪费。所以需要VLSM（可变长子网掩码）子网划分来更合理地分配IP地址。
VLSM子网划分的规则：
子网数= 2^子网位数（子网位数 = 掩码 - 主类网络号，例如某B类IP的掩码是27，则子网位数为27-16=11，因此子网数为2^11=2048）
主机数= 2^主机号-2（-2的原因上面说过了，主机位全0为网络地址，全1为广播地址）
块大小=2^八位组内主机号（例如192.168.10.0 掩码：255.255.255.192。C类IP主机号是第四个8位组，现在掩码是192=11000000，意思是问第四个8位组借了前2位作为网络号，因此第四个8位组内主机号是8-2=6位，块大小为2^6=64）。得出块大小后，用块大小数字累加就能得到网络号。
一个C类IP地址子网划分的例子：
例如192.168.10.0 掩码：255.255.255.192 （这种写法很麻烦，192=11000000，即第四个8位组前2位是网络号，总共网络号是26位，可简写为192.168.10.0/26）
子网数为2^2=4，主机数为2^6-2=62，块大小为2^6=64（每个8位组来计算，发生在第三个8位组）。4个子网分别为：
192.168.10.0/26 （单播IP范围：192.168.10.1 ~ 192.168.10.62）
192.168.10.64/26 （单播IP范围：192.168.10.65 ~ 192.168.10.126）
192.168.10.128/26 （单播IP范围：192.168.10.129 ~ 192.168.10.190）
192.168.10.192/26 （单播IP范围：192.168.10.193 ~ 192.168.10.254）
一个B类IP地址子网划分的例子：
172.16.0.0/18
子网数为2^2=4，主机数为2^14-2=16382，块大小为2^6=64（每个8位组来计算，发生在第三个8位组）。4个子网分别为：
172.16.0.0/18 （单播IP范围：172.16.0.1 ~ 172.16.63.254）
172.16.64.0/18 （单播IP范围：172.16.64.1 ~ 172.16.127.254）
172.16.128.0/18 （单播IP范围：172.16.128.1 ~ 172.16.191.254）
172.16.192.0/18 （单播IP范围：172.16.192.1 ~ 172.16.255.254）
一个B类IP地址子网划分的例子2：
172.16.0.0/27
子网数为2^11=2048，主机数为2^5-2=30，块大小为2^5=32（每个8位组来计算，发生在第四个8位组）。2048个子网分别为：
172.16.X.0/27
172.16.X.32/27
172.16.X.64/27
172.16.X.96/27
172.16.X.128/27
172.16.X.160/27
172.16.X.192/27
172.16.X.224/27 （第三位可以从0变化到255）
上面这样子网划分，比ABC主类地址能更合理分配IP。下面再介绍一种更能节省IP地址的子网划分方法：
例如172.16.0.0/16，要划分成2个200台主机，3个2台主机，3个24台主机，该怎么划分子网呢？遵从的原则是从大到小：
1.先算200台主机：2^n-2 >= 200，n为8，即主机号为8，网络号为24
172.16.0.0/24变化发生在第3个8位组，因为第3个8位组全是网络位，因此块大小为2^0=1，子网：
172.16.0.0/24 （可以任选2个供200台主机用，例如选前2个。供200台主机用）
172.16.1.0/24 （供200台主机用）
172.16.2.0/24 （未分配）
......
172.16.255.0/24
2.算24个主机：2^n-2 >= 24，n为5，即主机位为5，网络位为27
在172.16.2.0/24基础上划分子网：172.16.2.0/27变化发生在第4个8位组，块大小为2^5=32：
172.16.2.0/27 （可以任选3个供24台主机用，例如选择前3个。供24台主机用）
172.16.2.32/27 （供24台主机用）
172.16.2.64/27 （供24台主机用）
172.16.2.128/27 （未分配）
.....
172.16.2.224/27
3.最后算2个主机：2^n-2 >= 2，n为2，即主机位为2，网络位为30
在172.16.2.128/27基础上划分子网：172.16.2.0/30变化发生在第4个8位组，块大小为2^2=4：
172.16.2.128/30 （这3个供2台主机用）
172.16.2.132/30
172.16.2.136/30
通过上面若干VLSM的例子可用看出，VLSM是从右向左问主机号借用网络号，那CIDR就是网络号向左偏移，相当于主机数扩大了。更官方点说：
CIDR，就是忽略ABC类网络，自定义前缀相同的一条路由。
如192.168.12.0/24
192.168.13.0/24
192.168.14.0/24
192.168.15.0/24
都通过路由器E连接路由器F。如果设4条路由很麻烦，希望汇总一下。如果汇总成主类地址192.168.0.0/16太不精确了，可以汇总成192.168.12.0/22一条路由。
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