📖 IPv4 地址的应用规划
🎯 课程摘要：本节课介绍 IPv4 地址的应用规划，即将给定的 IP 地址块划分成若干更小的地址块并分配给互联网中的不同网络。重点对比**定长子网掩码（FLSM）与变长子网掩码（VLSM）**两种划分方法，掌握按需划分子网、子块起点选取原则，以及 408 考研中变长子网划分的解题方法。
📝 详细笔记
1. 应用规划的概念
- 概念定义：IPv4 地址的应用规划是指将给定的 IPv4 地址块划分成若干个更小的地址块，并将这些地址块分配给互联网中的不同网络，进而给各网络中的主机和路由器接口分配 IPv4 地址。
- 两种方法：
| 方法 | 全称 | 特点 |
|---|---|---|
| 定长子网掩码(FLSM) | Fixed-Length Subnet Mask | 各子网使用同一子网掩码，每子网地址数相同，易浪费 |
| 变长子网掩码(VLSM) | Variable-Length Subnet Mask | 各子网可用不同子网掩码，每子网地址数可不同，按需分配减少浪费 |
2. 需求统计方法
- 每个网络所需 IP 地址数 = 主机数 + 路由器接口数 + 网络地址(1) + 广播地址(1)。
- 注意：两个路由器之间的直连链路可看作一个网络（无主机，但有 2 个路由器接口，共需 4 个 IP 地址）。
3. 定长子网掩码划分示例
已知：申请到 C 类网 218.75.230.0/24，需划分为 5 个子网。
各网络需求统计：
| 网络 | 主机数 | 路由器接口 | 网络地址 | 广播地址 | 总需地址数 |
|---|---|---|---|---|---|
| 网络一 | 6 | 1 | 1 | 1 | 9 |
| 网络二 | 25 | 1 | 1 | 1 | 28 |
| 网络三 | 10 | 1 | 1 | 1 | 13 |
| 网络四 | 42 | 1 | 1 | 1 | 13 |
| 网络五（直连链路） | 0 | 2 | 1 | 1 | 4 |
网络五为路由器间直连链路，无主机，需 4 个地址。
划分过程：
- C 类网主机号 8 bit，需从中借用 3 比特作子网号。
- 可划分子网数 = $2^{3} = 8$ 个（满足 ≥5 的需求）。
- 每子网地址数 = $2^{8-3} = 2^{5} = 32$ 个（满足最大需求 28）。
- 子网掩码 = 24 个 1（网络号）+ 3 个 1（子网号）+ 5 个 0（主机号）=
255.255.255.248（/27）。 - 从 8 个子网中任选 5 个分配给网络一~网络五。
定长划分的缺点：
- 每个子网固定 32 个地址，网络五仅需 4 个却分到 32 个 → 严重浪费。
4. 变长子网掩码划分示例
已知：CIDR 地址块 218.75.230.0/24，采用 VLSM 按需划分。
按需确定各网络主机号位数：
| 网络 | 需地址数 | 主机号位数 | 地址块大小 | 网络前缀位数 | CIDR 地址块 |
|---|---|---|---|---|---|
| 网络一 | 9 | 4 bit | $2^{4}=16$ | 28 | /28 |
| 网络二 | 28 | 5 bit | $2^{5}=32$ | 27 | /27 |
| 网络三 | 13 | 4 bit | $2^{4}=16$ | 28 | /28 |
| 网络四 | 13 | 4 bit | $2^{4}=16$ | 28 | /28 |
| 网络五 | 4 | 2 bit | $2^{2}=4$ | 30 | /30 |
主机号位数取满足需求的最小 $n$，使 $2^{n} \geq$ 需求；网络前缀位数 = 32 − 主机号位数。
子块选取原则：
- 每个子块的起点位置不能随便选取，只能选取主机号部分为块大小整数倍的地址作为起点。
- 建议先为大的子块选取（避免大子块无法对齐放置）。
- 选取方案不唯一。
一种合理分配方案（按子块从大到小选取）：
| 网络 | CIDR 地址块 | 网络地址 | 广播地址 | 可分配范围 | 可分配数 |
|---|---|---|---|---|---|
| 网络二 | 218.75.230.0/27 | .0 | .31 | .1 ~ .30 | 30 |
| 网络一 | 218.75.230.32/28 | .32 | .47 | .33 ~ .46 | 14 |
| 网络三 | 218.75.230.48/28 | .48 | .63 | .49 ~ .62 | 14 |
| 网络四 | 218.75.230.64/28 | .64 | .79 | .65 ~ .78 | 14 |
| 网络五 | 218.75.230.80/30 | .80 | .83 | .81 ~ .82 | 2 |
| 剩余 | 218.75.230.84/?? | — | — | — | 留作今后分配 |
VLSM 的优点：
- 按需划分子网，各子网地址数可不同，尽可能减少浪费。
- 例：网络五仅需 4 个地址，精确分配 4 个，无浪费。
5. 先选小子块的弊端
- 若先选取小子块，可能使大子块的起点无法对齐到块大小整数倍位置，导致大子块无法放置或地址空间碎片化。
- ⚠️ 重点/考点：VLSM 划分时应先大后小选取子块。
6. 直连链路的特殊处理
- 路由器之间的直连链路仅需 2 个可分配地址，可用
/30地址块（4 个地址，2 个可分配）。 - 进一步节省：后来出现
/31前缀地址块，甚至不分配 IP 地址的方法。
7. 408 考研真题示例（变长子网划分）
题意：将给定 CIDR 地址块划分为 5 个子网（不多不少），其中 4 个尽量大，求最小子网的可分配 IP 地址数。
已知：CIDR 地址块 /20，地址数量 = $2^{12} = 4096$。
划分过程（从大到小选取）：
| 子块序号 | 网络前缀位数 | 地址数量 |
|---|---|---|
| 第 1 个（尽量大） | 21 | $2^{11} = 2048$ |
| 第 2 个（尽量大） | 22 | $2^{10} = 1024$ |
| 第 3 个（尽量大） | 23 | $2^{9} = 512$ |
| 第 4 个（尽量大） | 24 | $2^{8} = 256$ |
| 第 5 个（最小） | 24 | $2^{8} = 256$ |
- 验证：$2048 + 1024 + 512 + 256 + 256 = 4096$ ✓
- 最小子网地址数 = $256$，可分配 IP 地址数 = $256 - 2 = 254$（去掉全 0 网络地址和全 1 广播地址）。
答案：选项 B（254）。
⚠️ 易错点：题目问"可分配"地址数时，务必减去网络地址和广播地址（减 2）。
💡 核心总结
- 应用规划 = 将地址块划分为更小子块，分配给各网络。
- 定长子网掩码(FLSM)：统一掩码、统一大小，灵活度低、易浪费，子网数 = $2^{n}$。
- 变长子网掩码(VLSM)：按需分配不同大小子块，减少浪费。
- 子块主机号位数：取满足 $2^{n} \geq$ 需求的最小 $n$；前缀位数 = 32 − n。
- 子块起点必须对齐到块大小的整数倍；先大后小选取。
- 直连链路用
/30（可分配 2 个）或更省的/31。 - 求可分配地址数时记得 减 2（网络地址 + 广播地址）。
❓ 课后思考 / 经典考题
- 408 真题：将
/20地址块划分为 5 个子网（4 个尽量大），求最小子网可分配 IP 地址数。（答案：254，选项 B） - 定长子网划分与变长子网划分各有何优缺点？何时适用哪种？
- 给定 C 类网
218.75.230.0/24，需求为 5 个子网（9/28/13/13/4 地址），用 FLSM 需借用几个比特？子网掩码是多少？（答：借 3 bit，掩码255.255.255.248） - VLSM 划分时为什么要先选大子块？子块起点为何必须是块大小的整数倍？
- 路由器直连链路为什么可以用
/30甚至/31地址块？