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无类别域间路由（CIDR）：理解IP网络和子网划分

引言

无类别域间路由(Classless Inter-Domain Routing, CIDR)是一种用于在互联网上创建独立的IP地址分配策略的方法。这种方法允许更细粒度的IP地址分配，从而提供了比传统的IP地址类A、B、C更高效的使用²。

传统的IP地址类

在早期的互联网历史中，IP地址被分为五个类别：A、B、C、D和E。每一种类别都有一个特定的地址范围，并且被设计用于特定大小的网络。这就是所谓的"分类网络"（Classful Network）。

• 类A（Class A）：这个类别的网络可以支持超过1600万个主机（设备）。类A的地址从1.0.0.0到126.0.0.0，其中前8位（即第一个数字）表示网络部分，剩余24位表示主机部分。

• 类B（Class B）：类B网络可以支持最多65534个主机。类B地址从128.0.0.0到191.255.0.0，其中前16位（即前两个数字）表示网络部分，剩余的16位表示主机部分。

• 类C（Class C）：类C网络可以支持最多254个主机。类C地址从192.0.0.0到223.255.255.0，其中前24位（即前三个数字）表示网络部分，剩余的8位表示主机部分。

类D和类E不用于常规的网络操作。类D地址被保留用于多播，而类E地址被保留作为未来使用或实验性质的用途。

然而，这种分类方法很快显得太过死板，无法适应快速增长和变化的互联网需求。比如，如果一家公司需要超过254台但少于65534台的设备，那么他们只能申请一个类B网络，这就浪费了大量的IP地址。这也是后来发展出CIDR的原因，它允许更灵活的IP地址分配。

关于“IP地址的浪费”

IP地址的浪费主要是由于传统的IP地址分配方式引起的。在CIDR（无类别域间路由）出现之前，IP地址是按照固定的类A、B、C来分配的。

• 类A网络有16,777,214个可用的IP地址
• 类B网络有65,534个可用的IP地址
• 类C网络有254个可用的IP地址

如果一家公司需要超过254台但少于65534台的设备，按照传统的分配方式，他们只能申请一个类B网络。即使他们只使用了其中的一部分IP地址，剩余的IP地址也不能被其他人使用，这就导致了大量IP地址的浪费。

而CIDR通过变长子网掩码（VLSM）可以更灵活地分配IP地址，从而减少了IP地址的浪费。例如，对于需要超过254台但少于65534台设备的公司，可以将一个类B网络分成多个小网络，每个小网络的大小刚好满足公司的需求，剩余的IP地址可以分配给其他需要的人，从而实现IP地址的有效利用。

IP地址与CIDR

IP地址概述

互联网协议地址（Internet Protocol address，IP地址）是指分配给每个连接到互联网的设备的数字标签。在最常见的IPv4中，一个IP地址通常表示为四个十进制数，每个数位介于0和255之间，以点（.）分隔，例如192.0.2.0。

网络号与主机号

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CIDR记法（网络 = 网络地址/子网掩码）

CIDR在表示IP地址和其相关网络时，会采用一个"斜线"记法。例如，192.0.2.0/24就代表了一个包含256个IP地址的网络，其中192.0.2.0是网络的基础地址，24表示子网掩码的位数，即这个网络中有24位是网络前缀，剩下的8位是用于该网络内部的主机。

表示一个网络 192.0.2.0/24
这个网络的网络部分 (192.168.2).x
这个网络的主机部分 192.0.2.(x)

ip_network = '192.0.2.0/24'
base_address = ip_network.split('/')[0]
subnet_mask = int(ip_network.split('/')[1])

网络和广播地址

在一个CIDR块中，有两个地址不能被赋予主机：网络地址和广播地址。网络地址是CIDR块中的第一个地址，广播地址是最后一个。例如，在192.0.2.0/24中，192.0.2.0是网络地址，192.0.2.255是广播地址。

network_address = '192.0.2.0'
broadcast_address = '192.0.2.255'

CIDR的优势

减少路由表项

CIDR的引入极大地减少了路由表项的数量。在CIDR出现之前，每一个IP地址都需要在路由表中单独列出。但是，通过将IP地址组织成CIDR块，可以使用一个表项来表示整个块，从而显著降低了路由表的大小⁴。

缓解IPv4地址耗尽

通过更灵活的分配IP地址，CIDR也有助于缓解IPv4地址空间的耗尽问题。在CIDR出现之前，IP地址只能按照固定大小的块（类A、B或C）进行分配。这种方式在处理小型网络时浪费了大量的地址。然而，CIDR允许任何大小的地址块被分配，从而使得地址空间的使用变得更加高效⁵。

CIDR地址分配示例

例如，如果一个公司需要500个IP地址，按照早期的策略，他们将会被分配一个类B地址，即使他们只使用了其中的一小部分，其余的大约65000个地址将无法被其他组织使用，从而造成浪费。

然而，在CIDR中，地址可以按照任何大小进行划分。对于上述例子，我们可以为这家公司分配一个/23（包含512个地址）的网络，或者两个/24网络（每个包含256个地址）。这种方式下，公司能够得到接近他们所需数量的地址，同时也极大地减少了未使用地址的浪费。

# Example of allocating one /23 networks
network1 = '192.0.2.0/23'，地址范围从192.0.2.0 - 192.0.3.255，共512个地址

# Or allocate two /24 network
network1 = '192.0.2.0/24'，地址范围从192.0.2.0 - 192.0.2.255，共256个地址
network2 = '192.0.6.0/24'，地址范围从192.0.6.0 - 192.0.6.255，共256个地址

这种灵活的地址分配策略使得IPv4地址空间的使用变得更加高效，并且缓解了因为过度分配而导致的IPv4地址耗尽问题。

结论

CIDR是一种强大且灵活的工具，它使得IP地址的分配和管理变得更加简单和高效。无论是在减少路由表的大小，还是在缓解IPv4地址空间的耗尽方面，CIDR都起到了重要的作用。因此，对于任何需要理解或管理IP地址的人来说，理解CIDR都是非常重要的。

参考文献

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1. 参考文章：计算机网络（第四章）二 ↩︎

2. Wikipedia: Classless Inter-Domain Routing ↩︎

3. 参考文章：一文完全理解IP ↩︎

4. How CIDR Works ↩︎

5. RFC 4632 - Classless Inter-domain Routing (CIDR): The Internet Address Assignment and Aggregation Plan ↩︎