【填坑系列01】IP位址计算 (IPv4 适用)

大二修企业资料通讯(BDC)时，对於IP位址的计算一窍不通，上网看教学影片、文章仍然无法学会，後来到图书馆借书时，偶然翻到网路概论的书，才让我学会如何计算XD。

IP 位址是用来干嘛的?

在网路上的所有装置都要有一个独一无二的IP位址，作为传送和接收资料的地址。在现实生活中，IP位址的功用就像是邮件上都会有的收件人地址和寄件人地址，收件人地址让信件可以被正确送达，寄件人地址则让收到信的人可以回信。

(图片来源: https://www.homenethowto.com/basics/ip-addresses/)

IP 位址的表示方式

IP 位址是由 32 bits的二进位数字表示，也就是由32个0或1组成 :

01111111000000000000000000000001

上面那一串数字真的让人雾煞煞，所以我们可以透过下列方式做转换 :

1. 将 32 bits 的 IP 位址每 8 bits 切成一段

01111111 00000000 00000000 00000001

2. 将每一段的二进位数字转回十进位，再以.隔开每一段 :

127.0.0.1

这样就能比较容易看懂。

IP 位址的结构

IP 位址可以划分为两个部分 : 网路位址、主机位址

• 网路位址
  • 识别所属的网路
• 主机位址
  • 识别所属网路的装置

举例来说，某天拿到192.168.117.x的网段，前面的192.168.117就是用来辨别所属网路的网路位址(24 bits)，後面的x则对应到可以分配的主机位址，x的长度总共有8 bits，所以可能的排列组合有256种(2的8次方)，换句话说总共有256个主机位址可以分配给256个装置使用。

将这个概念做延伸，不难发现前面的网路位址越短，可以分配的主机位址就会越多，为了满足不同规模的网路需求，又依据网路位址的长度区分出不同的 IP 位址等级。

(实际上的长度划分不一定是这样，这边仅是举例)

IP 位址的等级

当初设计 IP 时，将 IP 位址分成五个等级(Class A、B、C、D、E)

一般常用的是 Class A、B、C 这三种等级的 IP 位址，分别适用在大、中、小型网路，负责管理IP位址的机构，可以依照申请者所需要的网路规模，赋予不同等级的IP位址。

• Class A
  网路位址为 8 bits，第1个 bit(前导位元)必须是0。
  网路位址从00000000~01111111，总共有128(2的7次方)个可以运用的网路位址(2的7次方)。主机位址为 24 bits，可以运用的位址总数为16777216个(2的24次方)。目前大部分的 Class A 都已经分配给过去有参与 ARPANET(Internet的前身) 实验的政府机关、学术单位等等，所以现在无法取得 Class A 的IP位址。

• Class B
  网路位址为 16 bits，前2个 bits(前导位元)必须是 10。Class B 的 IP 位址必定介於128.0.0.0~191.255.255.255。主机位址为 16 bits，可以运用的位址总数为65536个(2的16次方)。大部分的 Class B 都被分配给大企业或ISP使用。

• Class C
  网路位址为 24 bits，前3个 bits(前导位元)必须是 110。Class C 的 IP 位址必定介於192.0.0.0~223.255.255.255。主机位址为 8 bits，可以运用的位址总数为256个(2的8次方)。Class C 通常都被分配给小企业使用。

特殊的IP位址

• 主机位址全为0
  用来代表这个网路，以 Class C为例，196.67.208.0用来代表该 Class C 网路。
• 主机位址全为1
  代表网路中的所有位址，主要是用在广播上面。假设有电脑送出目的地为196.67.208.255的封包，则代表对196.67.208.0这个网路的所有装置进行广播(所有装置都会收到封包)。

段落重点整理

从 IP 位址的第一段我们就能看出它所属的 IP 位址等级。例如: 168.0.0.1可以从 168 判断它是一个 Class B 的 IP 位址，IP 位址的前 16 bits 为网路位址，後 16 bits 为主机位址。

• Class A : 0.0.0.0~127.255.255.255
• Class B : 128.0.0.0~191.255.255.255
• Class C : 192.0.0.0~223.255.255.255

子网路

IP 位址等级的切割固然方便，但弹性却略显不足。假设有人拿到 Class B 的 IP 位址，实际上只连接数十台电脑，那这样不是会有很多位址被浪费掉吗?

要解决这个问题可以透过将网路切割成更小的子网路来避免 IP 位址浪费的同时，增加原本3种 IP 位址等级的弹性。而在切割子网路前，务必要先思考需要多少个子网路，以及每个子网路需要连结多少台主机。

切割子网路的原理

简单来说切割子网路就是向 IP位址 中的主机位址借前几个位元作为子网路位址。

假设拿到的 Class B IP 位址是这样 :

借主机位址的前 3 bits 作为子网路位址:

子网路位址与原有的网路位址合计共占 19 bits，可以被视为是一个新的网路位址，用来识别该子网路。原先 16 bits 的网路位址是不可更动的，但子网路位址是可以自由分配的，在范例中从主机位址借用 3 bits，产生了8(2的3次方)个子网路。

范例中，原先 Class B 总共有 65536(2的16次方) 个可分配的主机位址，经过切割後每个子网路(共8个)则有 8192(2的13次方) 个可分配的主机位址，理论上从主机位址借到 15 bits 可以形成 32768 (2的15次方) 个子网路，而每个子网路有2个可分配的主机位址，但不幸的是主机位址不能全为0或1，所以上述的主机位址通通都要扣2，也就是说最多只能从主机位址身上借到前 14 bits。

子网路遮罩

在切割完子网路後，可以发现不论原先是哪一等级的 IP 位址，网路位址都不会再是原来的长度(8、16、24 bits)，那要怎麽确认切割後，现在网路位址的长度呢? 答案是我们可以用子网路遮罩来确认借用几 bit 的主机位址。

• 子网路遮罩的结构
  • 长度为 32 bits 与 IP 位址对应
  • 必须由连续一串的1再和连续一串的0组合而成
  • 可以用十进位表示(和 IP 位址相同)

转成十进位表示 :

11111111 11111111 11111111 00000000 => 255.255.255.0

子网路遮罩一定要与 IP 位址搭配使用，单独存在没有意义。把 IP 位址和子网路遮罩摆在一起看时，子网路遮罩 1 的长度范围对应到的是这组 IP 位址的网路位址，0 的长度范围则对应到这组 IP 位址的主机位址。

以下用图来说明会比较清楚 :

子网路遮罩由21个连续的1和11个连续的0组成，对应到 IP 位址(Class B)代表最前面的 21 bits 是网路位址，剩下的 11 bits 则是主机位址。

另外，也可以将范例的168.95.192.1套用子网路遮罩後简写成168.95.192.1/21，/21代表网路位址有 21 bits，同时也是子网路遮罩有21个连续的1的意思。

• 不进行子网路切割则各等级 IP 位址的子网路遮罩如下 :

以上就大致交代完 IP 位址的基础了，当然还有蛮多东西没有讲，不过就让我用一些应用题目结束这回合吧!

应用问题

以下都是蒐集来的题目 :

• 某主机的 IP 位址为 192.168.1.134，子网路遮罩为 255.255.255.248，则该主机的"网路位址"为何?

  从第一段的数字192可以看出是 Class C 的 IP 位址，然後将 IP 位址中的最後一个数字134转成二进制并和子网路遮罩比对 :

  

  可以发现这组 IP 位址落在 10000 这个子网路里面，转成十进位後，此子网路的网路位址为 192.168.1.128。

• 在 Class C 等级网路中若要分出至少13个子网路，则子网路遮罩为何?

  向主机位址借 4 bits 就可以切出 16(2的四次方) 个子网路，故子网路遮罩为 11111111 11111111 11111111 11110000 (255.255.255.240)。

• 255.255.252.0 这个子网路遮罩最多可以将 132.114.0.0 这个网路分成几个有效的子网路? 每个子网路最多可以有几台主机?

  

  由 IP 位址第一个数字132，可以确认它是 Class B 的 IP 位址，经比对之後发现向主机位址借用 6 bits 作为子网路位址，所以最多可分出 64 (2的6次方) 个子网路，每个子网路可以容纳 1024-2 = 1022 (2的10次方减去主机位址全为0或1) 台主机。

之後有空应该会再写其他填坑的文章~~~