IP 子网掩码与 CIDR 表示法详解：/24、/16、/8 及更多

子网掩码和 CIDR 表示法是 IP 网络的基础。无论你是设计云 VPC、配置家庭路由器还是准备网络考试，理解子网掩码如何将 IP 地址分为网络部分和主机部分都至关重要。本指南涵盖从二进制基础到完整 CIDR 参考表的所有内容。

1. 什么是子网掩码？

子网掩码是一个 32 位数字，用于将 IP 地址分为网络部分和主机部分。网络位设为 1，主机位设为 0。

255.255.255.0 的二进制分解：

255  .  255  .  255  .  0
11111111.11111111.11111111.00000000
|-------- Network --------|- Host-|
        24 bits               8 bits

子网掩码通过与 IP 地址进行按位 AND 运算来应用。运算结果就是网络地址。掩码中设为 1 的位标识网络；设为 0 的位标识该网络中的主机地址。

示例：IP 192.168.1.100，掩码 255.255.255.0

IP Address:    192.168.1.100   = 11000000.10101000.00000001.01100100
Subnet Mask:   255.255.255.0   = 11111111.11111111.11111111.00000000
               ─────────────────────────────────────────────────────
Network (AND): 192.168.1.0     = 11000000.10101000.00000001.00000000
Broadcast:     192.168.1.255   = 11000000.10101000.00000001.11111111
Host Range:    192.168.1.1 — 192.168.1.254  (254 usable hosts)

2. CIDR 表示法：/24、/16、/8

CIDR（无类别域间路由）表示法在 IP 地址后加斜杠和网络位数。它于 1993 年取代了旧的有类地址系统（A、B、C 类）。

/后的数字表示 32 位地址中有多少个前导位是网络前缀。剩余的位用于主机地址。

192.168.1.0/24
│           │
│           └── 24 network bits (slash notation)
└── Network prefix

Binary view:
11000000.10101000.00000001 . 00000000
|---- 24 network bits ----| |8 host |

3. 完整 CIDR 参考表：/8 到 /32

此表显示从 /8 到 /32 的每个 CIDR 前缀及对应的子网掩码、通配符掩码、总地址数和可用主机数。

* /31 uses both addresses per RFC 3021 (point-to-point). /32 is a single host route.

4. 子网划分原理

IPv4 地址为 32 位。子网掩码决定哪些位属于网络、哪些属于主机。用二进制来可视化：

Example: 172.16.10.0/20

IP:   10101100.00010000.00001010.00000000
Mask: 11111111.11111111.11110000.00000000
      |---- 网络位（掩码中的 1） ----|--- 主机位（掩码中的 0） ---|
      |<-------- 20 bits -------->|<- 12 bits ->|

Network:   172.16.0.0     (host bits all 0)
Broadcast: 172.16.15.255  (host bits all 1)
Range:     172.16.0.1 — 172.16.15.254
Hosts:     2^12 - 2 = 4,094

关键规则：

• 第一个地址（所有主机位 = 0）是网络地址。
• 最后一个地址（所有主机位 = 1）是广播地址。
• 可用主机 = 2^(主机位) - 2（减去网络地址和广播地址）。
• 对于 /31 和 /32，有特殊规则（点对点链路和单主机）。

5. 子网计算：分步示例

给定 10.0.0.0/22，计算网络详情：

10.0.0.0/22

Binary mask: 11111111.11111111.11111100.00000000 = 255.255.252.0
Wildcard:    00000000.00000000.00000011.11111111 = 0.0.3.255

Network:     10.0.0.0
First host:  10.0.0.1
Last host:   10.0.3.254
Broadcast:   10.0.3.255
Total:       1,024 addresses
Usable:      1,022 hosts

6. 私有 IP 地址范围（RFC 1918）

以下三个 IP 范围保留给私有网络，不会在公网上路由：

此外，169.254.0.0/16 用于链路本地（APIPA），127.0.0.0/8 是环回地址范围。

Private Ranges (RFC 1918):
┌─────────────────┬───────────────────────────┬──────────────┐
│  10.0.0.0/8     │  10.0.0.0 – 10.255.255.255│ 16,777,216   │
│ 172.16.0.0/12   │ 172.16.0.0 – 172.31.255.255│  1,048,576   │
│ 192.168.0.0/16  │ 192.168.0.0 – 192.168.255.255│     65,536 │
└─────────────────┴───────────────────────────┴──────────────┘

Other reserved:
127.0.0.0/8       Loopback
169.254.0.0/16    Link-local (APIPA)
100.64.0.0/10     Carrier-grade NAT (RFC 6598)

7. 实际常用子网

不同环境使用不同的子网大小：

# AWS VPC example
VPC:            10.0.0.0/16     (65,536 IPs)
├── Public-1a:  10.0.1.0/24     (256 IPs)
├── Public-1b:  10.0.2.0/24     (256 IPs)
├── Private-1a: 10.0.10.0/24    (256 IPs)
├── Private-1b: 10.0.11.0/24    (256 IPs)
├── DB-1a:      10.0.20.0/24    (256 IPs)
└── DB-1b:      10.0.21.0/24    (256 IPs)

# Kubernetes (default)
Pod CIDR:       10.244.0.0/16
Service CIDR:   10.96.0.0/12

8. IPv6 CIDR 基础

IPv6 地址为 128 位，提供极其庞大的地址空间。CIDR 表示法的工作方式相同：

与 IPv4 不同，IPv6 不使用广播地址。/64 边界很重要，因为无状态地址自动配置（SLAAC）需要它。

IPv6 Address: 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334/64

|---- 64-bit Network Prefix ----|---- 64-bit Interface ID ----|
2001:0db8:85a3:0000              :0000:8a2e:0370:7334

Common allocations:
/32  →  ISP allocation       (65,536 × /48 sites)
/48  →  Site allocation      (65,536 × /64 subnets)
/64  →  Single subnet        (18,446,744,073,709,551,616 hosts)
/128 →  Single host          (loopback, host routes)

9. 超网（路由聚合）

超网将多个较小的子网合并为一个更大的前缀，以减少路由表条目。这也称为路由汇总或聚合。

示例：将四个 /24 网络合并为一个 /22：

Before (4 routes):
192.168.0.0/24   →  192.168.0.0   – 192.168.0.255
192.168.1.0/24   →  192.168.1.0   – 192.168.1.255
192.168.2.0/24   →  192.168.2.0   – 192.168.2.255
192.168.3.0/24   →  192.168.3.0   – 192.168.3.255

After (1 route):
192.168.0.0/22   →  192.168.0.0   – 192.168.3.255

Binary proof:
192.168.0.0 = 11000000.10101000.000000|00.00000000
192.168.1.0 = 11000000.10101000.000000|01.00000000
192.168.2.0 = 11000000.10101000.000000|10.00000000
192.168.3.0 = 11000000.10101000.000000|11.00000000
                                 ^^^^^^
                            22 common bits → /22

好处：更小的路由表、更快的查找、更少的 BGP 通告和更简单的 ACL。

规则：子网必须连续且与超网边界对齐。不能将 192.168.1.0/24 和 192.168.5.0/24 聚合为单个前缀。

10. 子网计算工具

这些工具可以帮助你快速计算子网：

# ipcalc example
$ ipcalc 192.168.1.0/24
Address:   192.168.1.0          11000000.10101000.00000001. 00000000
Netmask:   255.255.255.0 = 24   11111111.11111111.11111111. 00000000
Wildcard:  0.0.0.255            00000000.00000000.00000000. 11111111
Network:   192.168.1.0/24
HostMin:   192.168.1.1
HostMax:   192.168.1.254
Broadcast: 192.168.1.255
Hosts/Net: 254

# Python ipaddress
import ipaddress
net = ipaddress.ip_network('10.0.0.0/22')
print(net.network_address)   # 10.0.0.0
print(net.broadcast_address) # 10.0.3.255
print(net.num_addresses)     # 1024
print(list(net.subnets()))   # [10.0.0.0/23, 10.0.2.0/23]

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