只有 32 位的 IPv4，为何依然够用？

一、前言

我一直在强调，打好基础怎么变都不慌，但是一直也没有重点分享过这些基础技术。正好 2019 年了，决定再挖个大的新坑，准备开始写一些那些多年不变的基础技术，算法、数据结构、网络协议、 设计模式 、操作系统有时间都会写。先挖坑，挖完慢慢填，我尽量写的有趣一些，希望大家能够看下去。

今天就来讲讲网络协议中的 CIDR(无类型域间选路)，先来说说 CIDR 的背景。

二、CIDR 的背景

2.1 IPv4 和 IPv6

现存所有的网络设备硬件中，网卡是设备上网必备的硬件条件，网卡虽然有唯一(相对唯一)的 Mac 地址去标识，但是依然需要分配一个 IP 地址。有了 IP 地址，才能让世界知道你的位置。

简单来说，IP 地址是一个网卡在网络世界的通讯地址，这就相当于现实世界中，我们在网购时填的收货地址。可以帮助别人，从世界的任何位置，找到我们。

现存的 IP 协议有两套，就是我们常说的 IPv4 和 IPv6。IPv4 由于最初设计的"缺陷"，长度只有 32 位，大约只能提供 40 亿个地址。早期设计时，可能也想不到互联网会发展到现在这个地步，随便一个设备都需要联网。

这就造成了 IPv4 地址很快就不够用了，尤其是这样 32 位地址中，还被分为了 A、B、C、D、E 这五类地址，抛开一些特殊的 IP 地址，可供使用的就更少了。由此可见 IPv4 在当初设计时，是有多么奢侈。

随后 IPv6 就被设计出来。我们知道当容量不够的时候，扩容是一条短期正确，但是长期来看依然是存在隐患的事情，无论扩大到多少，如果没有合理的规划，用完其实也是迟早的事情。

IPv6 的长度增加到 128 位，可以提供更多的地址，但是 IPv4 和 IPv6 相互之间并不兼容，导致迁移困难。如今 IPv6 已经慢慢在被一些大厂所使用，例如在淘宝 App 的启动页底部，就可以看到 IPv6 的标识。即便如此，在未来很长的一段时间内，依然会保持两个协议并行支持。

IPv6 并不是本文的重点，再说回到 IPv4 的地址过少这个硬伤上。虽然地址确实不够用，但是设备需要联网确实是强需求，这也是必须要解决的问题，联网就需要 IP 地址，是不是感觉进入死循环了。

IPv4 这种 A、B、C 类为主要的分类的 IP 数量，到底少到什么地步呢?这里看一张表就知道了。

能够感受到 IPv4 的尴尬了吗?C 类地址能够包含的最大主机数量，是在太少了，现在随便一个网吧可能就不够用了，而 B 类地址包含的最大主机数量又太多了，大量用不到的地址，很容易造成地址的浪费。有句老话怎么说的，旱的旱死，涝的涝死。

于是就出现了一个折中的方案，那就是我们本文要聊的 CIDR，中文名为无类型域间选路。

2.2 子网的划分

现在还不到说 CIDR 的时候(就是不爱写这种基础技术，想写清楚会发现有太多需要前置交代)。在说 CIDR 之前，还有个背景需要交代，那就是子网。

互联网这个大网，中间被分割成一个个子网，而子网下又被进一步分割。

从我们上面的 IP 分类图中，可以看出，一个 IP 地址的 32 位中，还被分为两类，分别是网络号和主机号，将主机号都置为 0，得到的就是网络地址。

可以看出，这样很明显的两级划分，也被称为两级 IP 地址。而 IP 地址的利用率有时很低，这种两级划分的方式就显得不那么灵活，于是就出现了子网。

子网其实就在之前的两级 IP 地址中，又加了一层子网号，将其变成三级结构。虽然增加了子网号，但是 IP 地址的长度依然是 32 位，网络号肯定是无法变更的，所以这里的子网就只能从主机号想办法。此时的子网号，其实就是从主机号中借位，这样就等于是减少了主机数，将其分割到不同的子网中。

涉及到子网，还有一个重要的概念，就是子网掩码。子网掩码，就是为了区分识别对 IP 地址划分的子网的。子网掩码很简单，它就是将网络号和子网号，对应的位全部置为 1，将主机号对应的位都置为 0，这就是子网掩码了。

这三个信息中，只要知道 IP 地址和子网掩码，自然就可以推算出对应的网络地址。这也正是我们前面说的子网的概念，其实是将一个大的网络，在其内部分割成一个个小的子网，但是在网 络的外层来看，还是一个大的网络，他们都是通过网络地址来通信的。

例子一：

例子二：

从上面的两个例子中，可以看出，相同的 IP 地址，不同的子网掩码，可以得出相同的网络地址，但是他们却是被划分在不同的子网当中的。

三、无类型域间选路(CIDR)

3.1 什么是 CIDR

通过子网掩码去划分的子网，是借走的主机号，这是有损耗的。例如借走两位主机号，原则上可以划分四个子网(11、10、01、00)，但是其中全 0 和全 1 是不使用的，所以就只剩下两个了。使用 CIDR 是没有这个问题的，它可以使用全 0 和全 1，不会造成浪费。

终于可以说到 CIDR 了。

CIDR 中文全称是无分类域间路由，是英文 Classless Inter-Domain Routing 的缩写。CIDR 打破了原先设计的 A、B、C 类地址的概念，将 32 位 IP 地址保持两分的结构，就是依然保持前面是网络号，后面是主机号。

这样如何区分呢?CIDR 会在 IP 地址的后面，用斜线分割一个网络前缀占位数的标识。

例如：10.100.120.2/24，斜线后面有一个数字 24，这种地址的表示形式，就是 CIDR。这里的 24 表示，32 位的 IP 地址中，前 24 位是网络号，后 8 位是主机号。

这一组 CIDR，包含的信息可就多了，还是拿 10.100.120.2/24 来举例。

将主机号，所有的位都置为 1，就是广播地址，例如：10.100.120.255，如果发送这个地址，10.100.120 网络里面的机器都可以收到。

将 24 位网络号都置为 1，8 位主机号置为 0，得到的就是子网掩码，255.255.255.0。

CIDR 除了表示一个 IP 地址，还相当于给出了一个 CIDR 子网的地址范围。将主机号，从全 0 到全 1 的范围，就是当前子网的所能包含的最大地址数。

3.2 容易算错的 CIDR

再来回忆一下 IP 地址的格式，32 位中以 8 位为一个单位，用 . 进行分割。所以比较常见的 /24、/16 这种就比较容易区分，不需要将十进制转换成二进制，就可以明显看出来，那些是网路号，那些是主机号，

家庭 WiFi 中，一般不会超过 256 个设备，所以 /24 也就够用了，例如 192.168.1.117/24。

如果遇上不是 8 的整数倍 CIDR，有时候我们就容易算错。

我们来看一下 16.158.165.20/22 这个 CIDR，求一下这个网络的起始 IP 地址、子网掩码和广播地址。

你要是上来就写 16.158.165.1、255.255.255.0、16.158.165.255，那你就错了。

首先看到 /22 不是 8 的整数倍，肉眼不好区分，我们转成二进制就清晰了。

遇到不好算的 CIDR，换成二进制再看看，一切都清晰了。

3.3 CIDR 应用

前面说到，互联网就是被切分成一个个子网下存在的，一个个子网往下还可以继续切分，但是对外就是一个整体。所以 CIDR 这种方式，/x 这个数值越小，说明当前子网下的主机数量越多。反之可以通过增加 /x 来继续进行子网的划分。

例如从 /16 变为 /20，右移了四位，等于又切分出来 16 个子网。

举个例子，有一个 CIDR 地址块，201.0.68.0/22，然后我们可以怎么切分?拆分成二进制就清晰了。

要是有心，我们还可以继续往下切分，但是正常我们为了保证子网可用，一般也会保持一个子网下的主机数不会太少。

四、小结时刻

CIDR 这种分割子网的规则，其实设计的很巧妙，只要向右移位网络前缀所占的位数，就可以继续分割子网。就算以后全面升级了 IPv6 后，我个人认为应该也不会抛弃 CIDR 这种方式。

CIDR 这种分割子网的计算方法，你明白了吗?留一道思考题吧，已知 16.158.165.20/20 这个 CIDR，计算子网掩码、网络地址、广播地址吗?

【本文为51CTO专栏作者“张旸”的原创稿件，转载请通过微信公众号联系作者获取授权】

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