什么是子网掩码

子网掩码是计算机网络中的一个重要概念，它是一个 32 位的二进制数，用于区分 IP 地址中的网络地址和主机地址。子网掩码对应网络地址的所有位都置为 1，对应于主机地址的所有位都置为 0 。通过子网掩码与 IP 地址的配合，网络设备能够识别本地网络和远程网络，实现数据包的正确传输和路由。

一、子网掩码的发展历程
在早期网络设计阶段（20 世纪 60 年代到 80 年代初），网络采用基本的拓扑和地址分配方式，IPv4 地址使用类别地址方案，分为 A 类、B 类、C 类、D 类和 E 类 。这种方式限制了网络的灵活性，导致地址浪费和资源分配不均。例如，一个小型企业可能获得了一个 B 类网络地址，但实际只需要少量的 IP 地址，这就造成了大量的地址浪费。
20 世纪 80 年代，子网掩码的引入赋予了网络更大的灵活性和管理能力。它将 IP 地址划分为网络地址部分和主机地址部分，通过二进制中的 “1” 和 “0” 的组合来界定。这使得网络管理员可以根据需求创建更小的子网，增强了网络设计的灵活性，适应了不同规模和需求的网络。同时，子网掩码的配置和使用有助于降低地址资源浪费，增强网络的安全性和隔离性。
随后，无类别域间路由（CIDR）的出现，引入了可变长度子网掩码（VLSM），允许根据需求分配可变数量的地址，更高效地利用地址空间。CIDR 的斜线表示法（如 “/24”）指定子网掩码的长度，使网络管理员能够更灵活地划分 IP 地址。这一创新减小了路由表的规模，提高了网络性能，简化了路由器配置，成为现代互联网基础设施中不可或缺的一部分。
随着网络的发展，IPv6 被引入，它采用 128 位的地址空间，为互联网提供了广泛的地址空间。IPv6 没有子网掩码的概念，而是支持前缀长度的配置，允许网络管理员更好地划分地址块。不过目前 IPv6 的使用更多是通过 IPv4 转 IPv6 隧道通信技术来实现的，所以 IPv6 完全取代 IPv4 还需要很长时间，子网掩码在当前网络环境中仍具有重要意义。

二、子网掩码的表示方法
（一）点分十进制表示
这是最常见的子网掩码表示方法，使用四个十进制数字，每个数字范围在 0 到 255 之间，表示子网掩码的四个 8 位组成部分 。例如，二进制数 11111111.11111111.11111111.00000000 表示为 255.255.255.0 。将二进制数转换为十进制数的方法是将每个二进制位与其对应的权值相乘，然后将结果相加。如二进制数 11011010 转换为十进制数为 218 。
（二）CIDR 斜线记法
CIDR 表示法的形式通常是 IP 地址后面跟斜线和数字，数字表示子网掩码网络标识部分的位数，也就是表示这 32 位数字中有多少位数为 1 。例如，192.168.1.100/24，其子网掩码表示为 255.255.255.0，二进制表示为 11111111.11111111.11111111.00000000，前 24 位为 1；172.16.198.12/20，其子网掩码表示为 255.255.240.0，二进制表示为 11111111.11111111.11110000.00000000，前 20 位为 1 。CIDR 表示法更加灵活，允许更精确地表示子网掩码的长度。

三、子网掩码的原理
（一）地址划分原理
在 IPv4 网络中，子网掩码通过将 32 位的 IP 地址与相应的 32 位子网掩码进行逐位逻辑与运算，将 IP 地址分割成网络部分和主机部分 。子网掩码中的 “1” 位与 IP 地址中的对应位相与，生成网络标识部分；子网掩码中的 “0” 位与 IP 地址中的对应位相与，生成主机标识部分。运算规则为：0&0 = 0；0&1 = 0；1&0 = 0；1&1 = 1 。例如，对于 IP 地址 192.168.10.11 和子网掩码 255.255.255.0，通过与运算，得到的网络地址是 192.168.10.0，这表示该 IP 地址属于 192.168.10.0 这个网络，而主机地址部分是 11，即这个网络中的第 11 台主机。
（二）划分子网原理
子网划分是通过借用 IP 地址的若干位主机位来充当子网地址，从而将原网络划分为若干子网 。划分子网时，随着子网地址借用主机位数的增多，子网的数目随之增加，而每个子网中的可用主机数逐渐减少。例如，一个 B 类网络默认子网掩码为 255.255.0.0 ，若要划分 20 个子网，因为 2^4 < 20 < 2^5，所以子网位需要占用 5 个主机位，划分子网后的子网掩码为 11111111.11111111.11111000.00000000，十进制为 255.255.248.0 。此时主机位还有 11 位，可以分配的主机 ID 有 2^11 = 2048 个，去掉主机位全 0 和全 1 的情况（全 0 表示网络地址，全 1 表示广播地址），还有 2046 个主机 ID 可分配。若只需要 200 个主机，为了更有效地利用资源，也可以根据子网所需主机数来划分子网，如 2^7 < 200 < 2^8，在 B 类网络的 16 位主机位中，保留 8 位主机位，其它的 8 位当成子网位，此时的子网掩码为 11111111.11111111.11111111.00000000，转换为十进制为 255.255.255.0 。

四、子网掩码的分类
（一）缺省子网掩码
也叫默认子网掩码，即未划分子网，对应的网络号的位都置 1，主机号都置 0 。未做子网划分的 IP 地址由网络号和主机号组成。A 类网络缺省子网掩码为 255.0.0.0，用 CIDR 表示为 / 8；B 类网络缺省子网掩码为 255.255.0.0，用 CIDR 表示为 / 16；C 类网络缺省子网掩码为 255.255.255.0，用 CIDR 表示为 / 24 。不同类别的网络（A、B、C）分别适用于大型组织和互联网服务提供商、中等规模组织，以及小型组织和家庭网络，根据其默认子网掩码的大小和可用 IP 地址数量来满足不同规模和需求的网络。
（二）自定义子网掩码
自定义子网掩码是将一个网络划分为几个子网，需要每一段使用不同的网络号或子网号，实际上可以认为是将主机号分为两个部分：子网号和子网主机号 。做子网划分后的 IP 地址由网络号、子网号和子网主机号组成，也就是说 IP 地址在划分子网后，以前主机号位置的一部分给了子网号，余下的是子网主机号。子网掩码是 32 位二进制数，它的子网主机标识用部分为全 “0” 。利用子网掩码可以判断两台主机是否在同一子网中，若两台主机的 IP 地址分别与它们的子网掩码相 “与” 后的结果相同，则说明这两台主机在同一子网中。例如，192.168.1.100/25，其子网掩码表示为 255.255.255.128，意思就是将 192.168.1.0 这个网段的主机位的最高 1 位划分为了子网。

五、子网掩码的功能
（一）划分子网
子网掩码允许将大的 IP 地址空间划分为多个较小的子网 。使用子网掩码划分子网后，子网内可以通信，跨子网不能通信，子网间通信应该使用路由器，并正确配置静态路由信息。例如，一个企业拥有一个较大的网络地址空间，通过子网掩码划分子网，可以将不同部门的设备划分到不同的子网中，提高网络的安全性和管理效率。
（二）划分网络和主机、路由和数据转发
子网掩码的核心功能是将一个 IP 地址划分为网络标识和主机标识两部分 。通过与 IP 地址进行按位与运算，子网掩码将 IP 地址分解为网络标识和主机标识，从而能够精确识别设备所属的网络以及设备本身。网络设备利用子网掩码能够精确定位数据包的目标网络，使数据包能够被有效地引导至其正确的目的地，确保网络通信的高效运行。当网络号为 24 位时，主机号为 8 位，只能有 2^8 = 256 个地址，实际上只有 254 个用于主机（去掉网络地址和广播地址）；而当网络号为 16 位时，主机号为 16 位，就会有 2^16 = 65536 个地址。

子网掩码在 IPv4 网络中起着至关重要的作用，它不仅能够帮助我们合理地划分网络，提高 IP 地址的利用率，还能增强网络的安全性和管理效率。在网络规划和配置中，深入理解子网掩码的概念、原理和应用方法是非常必要的。随着网络技术的不断发展，虽然 IPv6 逐渐兴起，但在当前 IPv4 仍广泛使用的情况下，子网掩码的知识依然是网络工程师和网络爱好者必备的技能之一。

拓展阅读
1.如何计算子网掩码的二进制和十进制转换？：二进制转十进制，将二进制位与对应权值相乘再相加；十进制转二进制，用十进制数不断除以 2 取余数，倒序排列。
2.子网掩码与 IP 地址的关系是什么？：子网掩码与 IP 地址配合，通过逻辑与运算确定 IP 地址的网络部分和主机部分，实现网络识别和数据包传输。
3.在实际网络中如何选择合适的子网掩码？：根据网络规模、主机数量、未来扩展需求以及网络安全等因素综合考虑，选择能合理划分网络和有效利用 IP 地址的子网掩码。