IPv4·IPv6 子網路計算機

子網路遮罩與前綴長度是同一邊界的兩種寫法。255.255.255.0 與 /24 指的是同一件事。這個邊界區分的是什麼、又為何只能以整數表示，回到32位元的排列就能明白。

IPv4位址是一個32位元的數值。這32位元中，哪些代表網路、哪些代表其中的設備，位址本身並沒有寫明。另外指出邊界位置的，就是子網路遮罩。

子網路遮罩與位址一樣是32位元的排列，網路部分的位元為1，主機部分的位元為0。把 255.255.255.0 寫成二進位，就是24個1之後接著8個0。以一個數值表示這「24個1」的，就是前綴長度，寫作 /24。兩者是同一邊界的不同記法，所指的位置並無不同。

遮罩中的1必須從左邊起連續排列。RFC 1812（1995年6月）將此訂為要求，中間夾著0的排列在現今的路由中無法處理。原因在於比對的方式。判斷某個目的位址是否屬於該網路，只需進行一次比較：高位的n個位元是否一致。只要1是連續的，邊界就能以n這一個數值表示，比較也只是前綴比對。若1不連續，就必須另外傳遞要比對哪些位元；多條路由同時符合時無法決定採用哪一條，也無法把多個範圍合併為一個。

因此，前綴長度是0到32之間的整數，邊界不能落在某個位元的中間。主機部分剩下的位元數，由32減去前綴長度決定。

每個子網路中都有兩個不能分配給設備的位址：網路位址與廣播位址。由於這兩個被排除在外，可用主機數比位址總數少2。為什麼偏偏是這兩個，看看主機部分的位元排列就能明白。

子網路中有兩個位址不分配給設備：主機部分的位元全為0的位址與全為1的位址。

主機部分全為0的位址稱為網路位址，用來作為指稱該子網路本身的識別。路由表中寫的 192.168.10.0/24 這類寫法，就是這種形式。假如把這個位址分配給一台設備，指稱整個網路的排列與指稱其中一台設備的排列就會完全相同。由於無法區分兩者，它被排除在分配的對象之外。

主機部分全為1的位址稱為廣播位址，用來把該子網路上的所有設備指定為目的地。RFC 919 與 RFC 922（皆為1984年10月）規定了這個格式。這種排列是為了同時送達多個對象，因此不能分配給某一台特定的設備。

排除這兩個之後，可用主機數就是位址總數減去2。/24 為 256 − 2，即254；/26 為 64 − 2，即62。

此外，「最小位址與最大位址」這種記憶方式，只是把結果換個說法。定義在於主機部分的位元排列，數值上的大小是由此推導出來的。

子網路的可用主機數，是從全部位址中減去網路位址與廣播位址這兩個求得的。把這個計算直接套用到 /31，結果為0；套用到 /32，則為負數。但實際上 /31 是以2處理，/32 是以1處理。這是因為在 /31 與 /32 上，減法的前提並不成立。

主機數之所以能用「全部位址 − 2」求得，是因為主機部分全為0的位址指稱網路位址，全為1的位址則保留作為廣播位址。這兩個位址不分配給特定的設備。

在 /30 中，4個位址有2個用於上述用途，其餘2個分配給主機。以 /30 表示點對點鏈路（只有兩台設備彼此相對的區段）時，該區段占用4個位址，其中分配給設備的是2個。

RFC 3021（2000年12月）規定，僅在以 /31 表示這種區段時，不套用這個減法。在點對點鏈路上，一端送出的封包總是由另一端接收。既然不需要把目的地指定為「該子網路內的所有成員」，也就沒有設置廣播位址的理由。主機部分全為0的位址，過去也曾作為舊式的廣播目的地使用，現在已不具這個作用。RFC 3021 規定這兩個位址都解釋為主機位址。結果，/31 的2個位址都分配給主機，可用主機數為2。其目的在於減少位址空間的消耗。

另外，能否解讀 /31 依實作而異。RFC 中有所規定，與所有設備都支援，是兩回事。

/32 的原因則不同。它只有1個位址寬，要分成網路位址與廣播位址，被劃分的對象本身就不存在。這1個位址用來表示只指向單一位址的路由（主機路由），或沒有實體連接埠的迴環介面。可用主機數為1。

在32位元的位址空間中，有若干範圍的用途是預先確定的。可在組織內部自由使用的私有位址就是其中之一，其路由不會在網際網路上通告。規定這些範圍的文件不只一份，範圍之間也可能相互巢狀包含。

IPv4位址空間中，有一些範圍不參與一般的分配，因為其用途已預先確定。其中具代表性的就是私有位址。

RFC 1918（1996年2月）把 10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16 這3個範圍劃給組織內部使用。這些範圍不會在網際網路上進行路由通告。因此，即使不同組織同時使用相同的位址，彼此也互不影響。反過來說，把不同組織的網路直接相連時，兩側可能出現相同的位址。

用途已確定的範圍還有其他幾個。127.0.0.0/8 是指向自身的回送，169.254.0.0/16 是用於位址自動設定的連結本地，192.0.2.0/24、198.51.100.0/24、203.0.113.0/24 專用於文件中的範例，100.64.0.0/10 則用於在電信業者一側共用位址。整理這些範圍的架構，由 RFC 6890（2013年4月）規定。

範圍可能相互巢狀包含。240.0.0.0/4 是為將來使用而保留的大範圍，但位於其內部的 255.255.255.255/32 另行規定為受限廣播。判斷某個位址屬於哪個範圍時，要在符合的範圍中選取前綴長度最長的那一個。若一找到較短的範圍就立即認定，結果就會不同。

用途已確定的位址範圍，除了名稱與依據的文件之外，還登記了表示處理方式的屬性。能否到達網際網路？路由器能否轉送？這兩個屬性的組合因範圍而異，無法從名稱推斷。

IANA 把用途已確定的位址範圍彙整在「特殊用途位址登記簿」中。每個範圍除了名稱與依據的 RFC 之外，還附有能否作為來源位址、能否作為目的位址等5個屬性。屬性的架構由 RFC 6890 訂定，並由 RFC 8190（2017年6月）修訂。其中直接用於設計與維運判斷的，是路由器轉送與網域外可達性。

路由器轉送表示路由器能否把以該範圍為目的地的封包，從一個介面轉交到另一個介面。169.254.0.0/16 的連結本地為「不轉送」，不會離開同一網段。以這個範圍的位址能夠通訊的對象，僅限於同一網段之內。

網域外可達性表示封包能否跨越組織管理範圍（管理網域）的邊界。RFC 1918 的3個範圍，轉送為「可以轉送」，可達性為「不可達」。在組織內部可以納入路由，但要送往外部就需要位址轉換。100.64.0.0/10 也是相同的組合，即使不屬於 RFC 1918，處理方式也一樣。

組合無法由名稱決定。有些範圍雖屬特殊用途，卻可以到達網域外。192.31.196.0/24（AS112）在網際網路上使用，用來接收私有位址等的反向解析查詢。若在邊界一律丟棄特殊用途的範圍，就連這類範圍也會被擋下。也有像 2002::/16（6to4）這樣，可達性登記簿未規定的範圍。

過去，IPv4位址的邊界位置由開頭的位元決定，可用的劃分只有3種。CIDR取消了這種固定方式，改為以前綴長度明確指出邊界。其結果是，把多個範圍合而為一的彙總得以成立。

1993年以前，IPv4位址是在類別這個架構下處理的。看位址開頭的位元就能知道它屬於哪個類別，類別一旦確定，邊界的位置也就確定了。面向網際網路分配的單位，僅限於網路部分為8位元、16位元、24位元其中之一。

這種方式下，分配的粒度很粗。對於想容納500台設備的組織，含256個位址的範圍不夠，下一個選項就是含65,536個位址的範圍。此外，由於每個組織分到各自的範圍，路由表的項目數會隨分配數量成比例增加。

RFC 1518 與 RFC 1519（皆為1993年9月）規定的CIDR，取消了由類別固定邊界的做法，改為明確指出前綴長度的方式。邊界可以設在0到32之間的任何位置。

邊界變得自由之後，多個範圍就能合併為一個寫法。這就是彙總。192.168.0.0/24 與 192.168.1.0/24 合起來可以寫成 192.168.0.0/23。不過有條件：要合併的範圍必須連續，合併後的大小必須是2的冪，而且開頭的位址必須是合併後大小的倍數。192.168.1.0/24 與 192.168.2.0/24 雖然相鄰，但 192.168.1.0 不在 /23 的邊界上，因此不能合併為一個。

兩個CIDR位址區塊之間的關係，必定屬於以下5種之一：相同、包含、被包含、相鄰、分離。只重疊一半的狀態不會出現。這是由位址區塊的構成方式決定的，並不是為了方便判斷而省略。

CIDR位址區塊有兩個限制：大小是2的冪，以及開頭的位址是自身大小的倍數。不在這種邊界上的範圍，根本無法以前綴寫法寫出來。

這些限制侷限了兩個位址區塊之間的關係。大小相同時，範圍不是完全一致，就是完全不相交。再看大小不同的情況。設較大的為A，較小的為B。A從自身大小的倍數開始，而且A的大小能被B的大小整除，因為兩者都是2的冪，且B比A小。因此，A的內部可以整齊地分成與B同樣大小的若干部分。B也落在邊界上，所以B不是與A內部的某一部分完全一致，就是位於A之外。它不可能處在超出邊界的位置。

結果，可能的關係就是以下5種。範圍完全相同，就是相同。一方完全包含另一方，就是包含或被包含。不相交且一方的末尾與另一方的開頭相接，就是相鄰。連相接都沒有，就是分離。

要形成只重疊一半的狀態，就必須把其中一方的開頭從邊界上錯開。錯開後的範圍無法以前綴寫法表示，因此不會以CIDR位址區塊的形式存在。

把一個範圍分成多個時，有兩種方法：全部切成相同大小，或依所需的大小加以變化。前者稱為FLSM，後者稱為VLSM。兩者的差別不在於工作量，而在於劃分之後剩下什麼。

FLSM是把原範圍分成相等大小的方法。前綴長度每增加1位元，部分的數量就加倍，因此劃分數僅限於2、4、8這樣的2的冪。由於所有部分大小相同，大小由需要位址最多的那個部分決定。其他部分也分配同樣的大小。

VLSM是每個部分使用不同前綴長度的方法。把各部分所需的設備數加上網路位址與廣播位址這2個，再分別無條件進位到2的冪。依從大到小的順序沿著邊界排列，各部分的開頭總是落在自身大小的倍數上，中間就不會產生無法使用的空隙。如果先放小的部分，為了讓後放的較大部分落在邊界上，其前面可能會空出一段。

VLSM要成立，路由資訊中必須包含前綴長度。因為各部分的長度不同，只傳遞位址無法還原邊界。不傳遞長度的路由方式，無法在一個範圍內部混用不同的長度。

劃分之後剩下的東西不同。FLSM中，需求較小的部分會有剩餘。VLSM不容易出現剩餘，但各部分邊界的位置各不相同。

在虛擬網路中建立子網路時，可用主機數可能比一般的計算結果少。這是因為平台為了自身的功能保留了一部分位址。被扣除的數量與可建立的最小大小是連動的。

在實體網路中，被扣除的是網路位址與廣播位址這兩個。在虛擬網路中，除此之外還會保留平台自身使用的位址。

被保留的通常是子網路開頭連續的幾個位址與最後的1個位址。開頭的部分是平台所提供功能的位址，例如該子網路的預設閘道，以及接收名稱解析查詢的位址。也有一部分是為了日後新增功能而空出來的。最後的1個位址因位於相當於廣播位址的位置而被保留。不論虛擬網路內部是否真的會傳送廣播，它都不在分配的對象之內。

由於保留的數量固定，子網路的大小便有了下限。例如，若包含網路位址與最後的1個在內共保留5個，則含16個位址的子網路還剩11個，而含8個位址的子網路只剩3個。子網路越小，保留部分所占的比例就越大。平台會在剩餘數量不敷實際使用之前，訂出可建立的最小大小。

上限也有規定。與下限不同，上限的規定與保留的數量無關。

保留的數量、最小大小與最大大小因平台而異。

IPv6並不只是把位址長度擴展到128位元。廣播這個機制本身不存在了，求可用主機數的減法也隨之消失。計數方式與寫法也隨著位數的規模而改變。

IPv6位址為128位元，寫成8個由4位十六進位數組成的組（每組16位元），並以冒號分隔。各組開頭的0可以省略，連續的全0組可以用雙冒號合併省略。不過，雙冒號只能使用1處。如果用在2處，就無法還原每處各代表幾個組。

IPv6中不存在廣播位址。想送達所有節點時，以該用途的群播位址為目的地。在群播中，只有決定接收該位址的節點才會處理，因此可以依用途縮小傳送對象。由於這項變化，已不再有保留子網路最後位址的理由。

相當於網路位址的排列，也不需要為了廣播而空出來。在IPv4中理所當然的「減2」，在IPv6中不再進行。不過，介面ID全為0的位址，被 RFC 4291（2006年2月）保留，用來指稱該子網路的路由器。

位址數的位數也改變了。一個 /64 子網路就含有18,446,744,073,709,551,616個位址。與IPv4整體約43億相比，就能看出數量級的差別。這個值比無號64位元整數能表示的最大值還多1，因此處理時必須選擇不會溢位的表示方式。

各用途的範圍也有規定。fe80::/10 是僅在同一連結內有效的連結本地，fc00::/7 用於組織內部，2001:db8::/32 專用於文件中的範例。實際分配給組織內部使用的，是 fc00::/7 中 fd00::/8 那一半。