只有 32 位的 IPv4，為何依然夠用？
一、前言
我一直在強調，打好基礎怎么變都不慌，但是一直也沒有重點分享過這些基礎技術。正好 2019 年了，決定再挖個大的新坑，準備開始寫一些那些多年不變的基礎技術，算法、數據結構、網絡協議、設計模式、操作系統有時間都會寫。先挖坑，挖完慢慢填，我盡量寫的有趣一些，希望大家能夠看下去。
今天就來講講網絡協議中的 CIDR(無類型域間選路)，先來說說 CIDR 的背景。
二、CIDR 的背景
2.1 IPv4 和 IPv6
現存所有的網絡設備硬件中，網卡是設備上網必備的硬件條件，網卡雖然有唯一(相對唯一)的 Mac 地址去標識，但是依然需要分配一個 IP 地址。有了 IP 地址，才能讓世界知道你的位置。
簡單來說，IP 地址是一個網卡在網絡世界的通訊地址，這就相當于現實世界中，我們在網購時填的收貨地址。可以幫助別人，從世界的任何位置，找到我們。
現存的 IP 協議有兩套，就是我們常說的 IPv4 和 IPv6。IPv4 由于最初設計的"缺陷"，長度只有 32 位，大約只能提供 40 億個地址。早期設計時，可能也想不到互聯網會發展到現在這個地步，隨便一個設備都需要聯網。
這就造成了 IPv4 地址很快就不夠用了，尤其是這樣 32 位地址中，還被分為了 A、B、C、D、E 這五類地址，拋開一些特殊的 IP 地址，可供使用的就更少了。由此可見 IPv4 在當初設計時，是有多么奢侈。
隨后 IPv6 就被設計出來。我們知道當容量不夠的時候，擴容是一條短期正確，但是長期來看依然是存在隱患的事情，無論擴大到多少，如果沒有合理的規劃，用完其實也是遲早的事情。
IPv6 的長度增加到 128 位，可以提供更多的地址，但是 IPv4 和 IPv6 相互之間并不兼容，導致遷移困難。如今 IPv6 已經慢慢在被一些大廠所使用，例如在淘寶 App 的啟動頁底部，就可以看到 IPv6 的標識。即便如此，在未來很長的一段時間內，依然會保持兩個協議并行支持。
IPv6 并不是本文的重點，再說回到 IPv4 的地址過少這個硬傷上。雖然地址確實不夠用，但是設備需要聯網確實是強需求，這也是必須要解決的問題，聯網就需要 IP 地址，是不是感覺進入死循環了。
IPv4 這種 A、B、C 類為主要的分類的 IP 數量，到底少到什么地步呢?這里看一張表就知道了。
能夠感受到 IPv4 的尷尬了嗎?C 類地址能夠包含的***主機數量，是在太少了，現在隨便一個網吧可能就不夠用了，而 B 類地址包含的***主機數量又太多了，大量用不到的地址，很容易造成地址的浪費。有句老話怎么說的，旱的旱死，澇的澇死。
于是就出現了一個折中的方案，那就是我們本文要聊的 CIDR，中文名為無類型域間選路。
2.2 子網的劃分
現在還不到說 CIDR 的時候(就是不愛寫這種基礎技術，想寫清楚會發現有太多需要前置交代)。在說 CIDR 之前，還有個背景需要交代，那就是子網。
互聯網這個大網，中間被分割成一個個子網，而子網下又被進一步分割。
從我們上面的 IP 分類圖中，可以看出，一個 IP 地址的 32 位中，還被分為兩類，分別是網絡號和主機號，將主機號都置為 0，得到的就是網絡地址。
可以看出，這樣很明顯的兩級劃分，也被稱為兩級 IP 地址。而 IP 地址的利用率有時很低，這種兩級劃分的方式就顯得不那么靈活，于是就出現了子網。
子網其實就在之前的兩級 IP 地址中，又加了一層子網號，將其變成三級結構。雖然增加了子網號，但是 IP 地址的長度依然是 32 位，網絡號肯定是無法變更的，所以這里的子網就只能從主機號想辦法。此時的子網號，其實就是從主機號中借位，這樣就等于是減少了主機數，將其分割到不同的子網中。
涉及到子網，還有一個重要的概念，就是子網掩碼。子網掩碼，就是為了區分識別對 IP 地址劃分的子網的。子網掩碼很簡單，它就是將網絡號和子網號，對應的位全部置為 1，將主機號對應的位都置為 0，這就是子網掩碼了。
這三個信息中，只要知道 IP 地址和子網掩碼，自然就可以推算出對應的網絡地址。這也正是我們前面說的子網的概念，其實是將一個大的網絡，在其內部分割成一個個小的子網，但是在網 絡的外層來看，還是一個大的網絡，他們都是通過網絡地址來通信的。
例子一：
例子二：
從上面的兩個例子中，可以看出，相同的 IP 地址，不同的子網掩碼，可以得出相同的網絡地址，但是他們卻是被劃分在不同的子網當中的。
三、無類型域間選路(CIDR)
3.1 什么是 CIDR
通過子網掩碼去劃分的子網，是借走的主機號，這是有損耗的。例如借走兩位主機號，原則上可以劃分四個子網(11、10、01、00)，但是其中全 0 和全 1 是不使用的，所以就只剩下兩個了。使用 CIDR 是沒有這個問題的，它可以使用全 0 和全 1，不會造成浪費。
終于可以說到 CIDR 了。
CIDR 中文全稱是無分類域間路由，是英文 Classless Inter-Domain Routing 的縮寫。CIDR 打破了原先設計的 A、B、C 類地址的概念，將 32 位 IP 地址保持兩分的結構，就是依然保持前面是網絡號，后面是主機號。
這樣如何區分呢?CIDR 會在 IP 地址的后面，用斜線分割一個網絡前綴占位數的標識。
例如：10.100.120.2/24，斜線后面有一個數字 24，這種地址的表示形式，就是 CIDR。這里的 24 表示，32 位的 IP 地址中，前 24 位是網絡號，后 8 位是主機號。
這一組 CIDR，包含的信息可就多了，還是拿 10.100.120.2/24 來舉例。
將主機號，所有的位都置為 1，就是廣播地址，例如：10.100.120.255，如果發送這個地址，10.100.120 網絡里面的機器都可以收到。
將 24 位網絡號都置為 1，8 位主機號置為 0，得到的就是子網掩碼，255.255.255.0。
CIDR 除了表示一個 IP 地址，還相當于給出了一個 CIDR 子網的地址范圍。將主機號，從全 0 到全 1 的范圍，就是當前子網的所能包含的***地址數。
3.2 容易算錯的 CIDR
再來回憶一下 IP 地址的格式，32 位中以 8 位為一個單位，用 . 進行分割。所以比較常見的 /24、/16 這種就比較容易區分，不需要將十進制轉換成二進制，就可以明顯看出來，那些是網路號，那些是主機號，
家庭 WiFi 中，一般不會超過 256 個設備，所以 /24 也就夠用了，例如 192.168.1.117/24。
如果遇上不是 8 的整數倍 CIDR，有時候我們就容易算錯。
我們來看一下 16.158.165.20/22 這個 CIDR，求一下這個網絡的起始 IP 地址、子網掩碼和廣播地址。
你要是上來就寫 16.158.165.1、255.255.255.0、16.158.165.255，那你就錯了。
首先看到 /22 不是 8 的整數倍，肉眼不好區分，我們轉成二進制就清晰了。
遇到不好算的 CIDR，換成二進制再看看，一切都清晰了。
3.3 CIDR 應用
前面說到，互聯網就是被切分成一個個子網下存在的，一個個子網往下還可以繼續切分，但是對外就是一個整體。所以 CIDR 這種方式，/x 這個數值越小，說明當前子網下的主機數量越多。反之可以通過增加 /x 來繼續進行子網的劃分。
例如從 /16 變為 /20，右移了四位，等于又切分出來 16 個子網。
舉個例子，有一個 CIDR 地址塊，201.0.68.0/22，然后我們可以怎么切分?拆分成二進制就清晰了。
要是有心，我們還可以繼續往下切分，但是正常我們為了保證子網可用，一般也會保持一個子網下的主機數不會太少。
四、小結時刻
CIDR 這種分割子網的規則，其實設計的很巧妙，只要向右移位網絡前綴所占的位數，就可以繼續分割子網。就算以后全面升級了 IPv6 后，我個人認為應該也不會拋棄 CIDR 這種方式。
CIDR 這種分割子網的計算方法，你明白了嗎?留一道思考題吧，已知 16.158.165.20/20 這個 CIDR，計算子網掩碼、網絡地址、廣播地址嗎?
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