cs-note/hhs/NETWORK/03-网络层/02-CIDR与子网划分.md

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tags: [计算机网络, CIDR, 子网划分, IP计算]
create time: 2026-05-18 00:00
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# CIDR 与子网划分

## 概述

CIDR（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由）是现代 IP 寻址的核心机制。它摒弃了 A/B/C 类地址的固定边界，允许任意长度的前缀——让网络管理员可以按需精确分配 IP 空间。

> [!QUESTION] 为什么需要子网划分？
> 想象一个有 5000 台主机的公司，如果全放在 /12 大网络里：每秒数千个 ARP 广播、巨大的 MAC 表、单点故障影响面极大。子网划分将大问题拆小，既缩小了广播域，又加强了安全性隔离。

## CIDR 表示法

```
192.168.1.0/24  ← /24 表示前 24 位是网络号
```

即 `192.168.1.0` + 子网掩码 `255.255.255.0`

### 常见子网对照表

| CIDR | 子网掩码 | 主机数 ( usable) | 典型用途 |
|------|---------|-----------------|---------|
| /30 | 255.255.255.252 | 2 | 点对点链路 |
| /29 | 255.255.255.248 | 6 | 小型办公室 |
| /28 | 255.255.255.240 | 14 | VLAN 极小 |
| /27 | 255.255.255.224 | 30 | 小组 VLAN |
| /26 | 255.255.255.192 | 62 | 小型部门 |
| /25 | 255.255.255.128 | 126 | 中型部门 |
| /24 | 255.255.255.0 | 254 | **最常用**，标准办公室 VLAN |
| /23 | 255.255.255.254 | 510 | 大型部门 |
| /22 | 255.255.255.252 | 1022 | 数据中心租户 |
| /21 | 255.255.255.248 | 2046 | 大规模部署 |
| /16 | 255.255.255.0 | 65534 | 大型企业内网 |

> [!tip] 快速计算可用主机数
> $N_{usable} = 2^h - 2$，其中 $h$ 是主机位数量（$h = 32 - \text{prefix}$）
> - `-2` 因为网络地址和广播地址不可用
> - 对于 /31（点对点链路），RFC 3021 允许使用 2 个地址（无网络/广播位）

## 子网划分的核心算法

### 示例：从 /24 划分为 4 个子网

原始：`192.168.1.0/24`（254 台主机）
目标：分成 4 个子网 → 需借 2 位主机位 → `/26`

```
原始 /24 的网络位:
192.168.1.0    = 11000000.10101000.00000001.00000000

借 2 位给子网:
192.168.1.XX   = XX 是子网位(00, 01, 10, 11)

四个子网:
Subnet 0: 192.168.1.0/26   — 范围: .0 ~ .63   — 可用: .1 ~ .62   — Bcast: .63
Subnet 1: 192.168.1.64/26  — 范围: .64 ~ .127 — 可用: .65 ~ .126 — Bcast: .127
Subnet 2: 192.168.1.128/26 — 范围: .128~.191  — 可用: .129~.190  — Bcast: .191
Subnet 3: 192.168.1.192/26 — 范围: .192~.255  — 可用: .193~.254  — Bcast: .255
```

```mermaid
flowchart LR
    S0["192.168.1.0/26<br/>.1-.62"] -->|"PCs / Servers"| SW0[Switch-A]
    S1["192.168.1.64/26<br/>.65-.126"] -->|"IP Phones"| SW1[Switch-B]
    S2["192.168.1.128/26<br/>.129-.190"] -->|"Guest WiFi"| AP1[AP-C]
    S3["192.168.1.192/26<br/>.193-.254"] -->|"IoT Devices"| GW1[Gateway .1]
    
    style S0 fill:#DDA0DD,color:#000
    style S1 fill:#FFD700,color:#000
    style S2 fill:#98FB98,color:#000
    style S3 fill:#B0C4DE,color:#000
```

### VLSM（可变长子网掩码）

不同子网可以用不同长度的掩码——这就是**可变长子掩码**。

场景：公司有 4 个部门，需要不同规模：
- 研发部：200 台 → 需要至少 202 → /24（254 台）
- 市场部：50 台 → 需要至少 52 → /26（62 台）
- 行政部：10 台 → 需要至少 12 → /28（14 台）
- 互联链：2 台 → 需要 2 → /30（2 台）

总计借用：32 - 24 = 8 位主机位
- 研发 /24: 借回 0 位子网位 → 用掉 1 个大块
- 剩余给其他 3 个 /26, /28, /30...

## 实用计算工具

### Linux ipcalc

```bash
$ ipcalc 192.168.10.50/26
Network:      192.168.10.0/26
Netmask:      255.255.255.192 = 26
Wildcard:     0.0.0.63
Broadcast:    192.168.10.63
HostMin:      192.168.10.1
HostMax:      192.168.10.62
Hosts/Net:    62

# Python 中内置 ipaddress 模块
$ python3 -c "import ipaddress; print(list(ipaddress.ip_network('192.168.10.0/26').hosts()))"
[IPv4Address('192.168.10.1'), ..., IPv4Address('192.168.10.62')]
```

### 快速手算方法

| 步骤 | 操作 |
|------|------|
| 1 | 将最后一个 octet 转换为二进制 |
| 2 | 前 prefix%32 位为网络位，其余为主机位 |
| 3 | 网络地址 = 全置 0；广播地址 = 全置 1 |
| 4 | 可用范围 = 网络地址+1 ~ 广播地址-1 |

## 私有地址空间（RFC 1918）

以下地址段在公网不可路由，专供内部网络使用：

| 地址段 | 数量 | 默认掩码 | 适用场景 |
|--------|------|---------|---------|
| `10.0.0.0 – 10.255.255.255` | 16,777,216 | /8 | 大型企业、运营商 |
| `172.16.0.0 – 172.31.255.255` | 1,048,576 | /12 | 中型企业 |
| `192.168.0.0 – 192.168.255.255` | 65,536 | /16 | 家庭/小型办公室 |

> [!tip] 如何选择私有地址段？
> - 单机房、<1000 台主机 → `192.168.0.0/16` 够用
> - 多机房、分布式 → `10.0.0.0/8` 留有余量
> - Docker 默认使用 `172.17.0.0/16`

## 超网聚合（Supernetting / CIDR Aggregation）

将多个连续的小网合并为一个更大的网：

```
原始:  192.168.1.0/24, 192.168.2.0/24, 192.168.3.0/24
       = 11000000.10101000.00000001.0/24
       + 11000000.10101000.00000010.0/24
       + 11000000.10101000.00000011.0/24

共同前缀: 11000000.10101000.000000XX → /22

聚合后:  192.168.0.0/22 包含 1024 个 IP
         （注意：实际只用了其中两个 /24 块，浪费了中间两个）
```

路由聚合减少了全球 BGP 路由表的大小。没有 CIDR 聚合，BGP 路由表会膨胀到百万级别。

## Go 中的子网判断

```go
import "net"

ip := net.ParseIP("192.168.1.50")
_, cidr, _ := net.ParseCIDR("192.168.1.0/26")

if cidr.Contains(ip) {
    fmt.Println("IP 在子网范围内 ✅")
}

// 遍历所有可用 IP
for ip := cidr.IP.Mask(cidr.Mask); cidr.Contains(ip); inc(ip) {
    if ip.Equal(cidr.IP) || ip.Equal(lastIP) {
        continue // 跳过网络地址和广播地址
    }
    // 处理每个可用 IP
}
func inc(ip net.IP) { for i := len(ip) - 1; i >= 0; i-- {
    ip[i]++
    if ip[i] > 0 { break }
}}
```

## 关联笔记

- [[hhs/NETWORK/IPv4首部与分段重组]] — IP 地址在 IPv4 包中的位置
- [[hhs/NETWORK/IPv6地址与扩展头部]] — IPv6 同样使用 CIDR 表示法
- [[hhs/NETWORK/NAT原理与应用]] — NAT 通常映射到私有地址空间