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IP地址分

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IP地址分配方案详细说明

1. IP地址基础概念

1.1 子网划分原理

  • 网络地址：子网的第一个地址，用于标识网络
  • 广播地址：子网的最后一个地址，用于向该子网所有主机广播
  • 可用主机地址：网络地址和广播地址之间的地址
  • 默认网关：通常是子网的第一个或最后一个可用地址

1.2 计算公式

  • 可用主机数 = 2^(32-子网掩码位数) – 2
  • 子网掩码 = 连续的1的位数（如/24 = 255.255.255.0）
  • 网络地址 = IP地址 AND 子网掩码
  • 广播地址 = 网络地址 OR (NOT 子网掩码)

2. 私有IP地址段概览

2.1 三大私有地址段

地址段CIDR表示地址范围可用网络数总主机数
A类10.0.0.0/810.0.0.1 – 10.255.255.2541个/8网络16,777,214
B类172.16.0.0/12172.16.0.1 – 172.31.255.25416个/16网络1,048,576
C类192.168.0.0/16192.168.0.1 – 192.168.255.254256个/24网络65,534

3. 详细子网划分方案

3.1 10.0.0.0/8 地址段划分

/24 子网划分（256个网络，每个254台主机）

网络地址：10.0.0.0/24
子网掩码：255.255.255.0
广播地址：10.0.0.255
可用IP范围：10.0.0.1 - 10.0.0.254
默认网关：10.0.0.1
可用主机数：254

网络地址：10.0.1.0/24
子网掩码：255.255.255.0
广播地址：10.0.1.255
可用IP范围：10.0.1.1 - 10.0.1.254
默认网关：10.0.1.1
可用主机数：254

... 以此类推，可创建256个/24子网

/25 子网划分（512个网络，每个126台主机）

网络地址：10.0.0.0/25
子网掩码：255.255.255.128
广播地址：10.0.0.127
可用IP范围：10.0.0.1 - 10.0.0.126
默认网关：10.0.0.1
可用主机数：126

网络地址：10.0.0.128/25
子网掩码：255.255.255.128
广播地址：10.0.0.255
可用IP范围：10.0.0.129 - 10.0.0.254
默认网关：10.0.0.129
可用主机数：126

/26 子网划分（1024个网络，每个62台主机）

网络地址：10.0.0.0/26
子网掩码：255.255.255.192
广播地址：10.0.0.63
可用IP范围：10.0.0.1 - 10.0.0.62
默认网关：10.0.0.1
可用主机数：62

网络地址：10.0.0.64/26
子网掩码：255.255.255.192
广播地址：10.0.0.127
可用IP范围：10.0.0.65 - 10.0.0.126
默认网关：10.0.0.65
可用主机数：62

网络地址：10.0.0.128/26
子网掩码：255.255.255.192
广播地址：10.0.0.191
可用IP范围：10.0.0.129 - 10.0.0.190
默认网关：10.0.0.129
可用主机数：62

网络地址：10.0.0.192/26
子网掩码：255.255.255.192
广播地址：10.0.0.255
可用IP范围：10.0.0.193 - 10.0.0.254
默认网关：10.0.0.193
可用主机数：62

/27 子网划分（2048个网络，每个30台主机）

网络地址：10.0.0.0/27
子网掩码：255.255.255.224
广播地址：10.0.0.31
可用IP范围：10.0.0.1 - 10.0.0.30
默认网关：10.0.0.1
可用主机数：30

网络地址：10.0.0.32/27
子网掩码：255.255.255.224
广播地址：10.0.0.63
可用IP范围：10.0.0.33 - 10.0.0.62
默认网关：10.0.0.33
可用主机数：30

网络地址：10.0.0.64/27
子网掩码：255.255.255.224
广播地址：10.0.0.95
可用IP范围：10.0.0.65 - 10.0.0.94
默认网关：10.0.0.65
可用主机数：30

网络地址：10.0.0.96/27
子网掩码：255.255.255.224
广播地址：10.0.0.127
可用IP范围：10.0.0.97 - 10.0.0.126
默认网关：10.0.0.97
可用主机数：30

/28 子网划分（4096个网络，每个14台主机）

网络地址：10.0.0.0/28
子网掩码：255.255.255.240
广播地址：10.0.0.15
可用IP范围：10.0.0.1 - 10.0.0.14
默认网关：10.0.0.1
可用主机数：14

网络地址：10.0.0.16/28
子网掩码：255.255.255.240
广播地址：10.0.0.31
可用IP范围：10.0.0.17 - 10.0.0.30
默认网关：10.0.0.17
可用主机数：14

/29 子网划分（8192个网络，每个6台主机）

网络地址：10.0.0.0/29
子网掩码：255.255.255.248
广播地址：10.0.0.7
可用IP范围：10.0.0.1 - 10.0.0.6
默认网关：10.0.0.1
可用主机数：6

网络地址：10.0.0.8/29
子网掩码：255.255.255.248
广播地址：10.0.0.15
可用IP范围：10.0.0.9 - 10.0.0.14
默认网关：10.0.0.9
可用主机数：6

/32 子网划分（主机路由）

网络地址：10.0.0.1/32
子网掩码：255.255.255.255
广播地址：10.0.0.1（自身）
可用IP范围：无（单个主机）
默认网关：无
可用主机数：1（仅用于主机路由）

3.2 172.16.0.0/12 地址段划分

B类地址段特点

  • 包含16个/16网络（172.16.0.0 – 172.31.0.0）
  • 总计1,048,576个可用IP地址

示例子网划分

网络地址：172.16.0.0/24
子网掩码：255.255.255.0
广播地址：172.16.0.255
可用IP范围：172.16.0.1 - 172.16.0.254
默认网关：172.16.0.1
可用主机数：254
所属网络：172.16.0.0/16

网络地址：172.16.1.0/25
子网掩码：255.255.255.128
广播地址：172.16.1.127
可用IP范围：172.16.1.1 - 172.16.1.126
默认网关：172.16.1.1
可用主机数：126

网络地址：172.16.2.0/26
子网掩码：255.255.255.192
广播地址：172.16.2.63
可用IP范围：172.16.2.1 - 172.16.2.62
默认网关：172.16.2.1
可用主机数：62

3.3 192.168.0.0/16 地址段划分

C类地址段特点

  • 包含256个/24网络（192.168.0.0 – 192.168.255.0）
  • 总计65,536个可用IP地址

示例子网划分

网络地址：192.168.0.0/24
子网掩码：255.255.255.0
广播地址：192.168.0.255
可用IP范围：192.168.0.1 - 192.168.0.254
默认网关：192.168.0.1
可用主机数：254

网络地址：192.168.1.0/25
子网掩码：255.255.255.128
广播地址：192.168.1.127
可用IP范围：192.168.1.1 - 192.168.1.126
默认网关：192.168.1.1
可用主机数：126

网络地址：192.168.2.0/26
子网掩码：255.255.255.192
广播地址：192.168.2.63
可用IP范围：192.168.2.1 - 192.168.2.62
默认网关：192.168.2.1
可用主机数：62

网络地址：192.168.3.0/27
子网掩码：255.255.255.224
广播地址：192.168.3.31
可用IP范围：192.168.3.1 - 192.168.3.30
默认网关：192.168.3.1
可用主机数：30

网络地址：192.168.4.0/28
子网掩码：255.255.255.240
广播地址：192.168.4.15
可用IP范围：192.168.4.1 - 192.168.4.14
默认网关：192.168.4.1
可用主机数：14

4. 子网划分速查表

4.1 子网掩码对照表

CIDR子网掩码可用主机数子网数量
/24255.255.255.0254256
/25255.255.255.128126512
/26255.255.255.192621,024
/27255.255.255.224302,048
/28255.255.255.240144,096
/29255.255.255.24868,192
/30255.255.255.252216,384
/31255.255.255.2542*32,768
/32255.255.255.255165,536

*注：/31子网在RFC 3021中定义，用于点对点链路

4.2 地址段容量对比

地址段总IP数/24子网数/25子网数/26子网数/27子网数
10.0.0.0/816,777,21665,536131,072262,144524,288
172.16.0.0/121,048,5764,0968,19216,38432,768
192.168.0.0/1665,5362565121,0242,048

5. 实际应用建议

5.1 企业网络规划建议

大型网络（10.0.0.0/8）

  • 总部网络：使用/16或/20大块分配
  • 分支机构：每个/24子网，支持254台设备
  • 服务器段：/25或/26子网，按功能分离
  • 管理网络：/27或/28子网，用于网络设备管理

中型网络（172.16.0.0/12）

  • 办公网络：/24子网，按楼层或部门划分
  • 数据中心：/25或/26子网，按应用类型划分
  • DMZ区域：/28或/29子网，公共服务器
  • 无线网络：/23或/22超网，支持大量移动设备

小型网络（192.168.0.0/16）

  • 家庭网络：/24子网足够使用
  • 小型办公室：/24或/25子网
  • 实验室环境：/27或/28子网，精细控制

5.2 IP地址分配最佳实践

层次化分配

10.0.0.0/8 (大型网络)
├── 10.0.0.0/16 (总部)
│   ├── 10.0.0.0/24 (办公网络)
│   ├── 10.0.1.0/24 (服务器网络)
│   └── 10.0.2.0/24 (管理网络)
├── 10.1.0.0/16 (分支机构1)
└── 10.2.0.0/16 (分支机构2)

功能区域划分

  • 用户网络：偶数第三字节（如10.0.0.0/24）
  • 服务器网络：奇数第三字节（如10.0.1.0/24）
  • 管理网络：特定范围（如10.0.254.0/24）
  • 预留网络：未来扩展使用

5.3 特殊情况处理

点对点链路

  • 使用/30或/31子网
  • 每个链路仅需2个可用地址
  • 节省IP地址资源

环回接口

  • 使用/32子网
  • 用于路由器标识和管理
  • 每个设备一个地址

未来扩展预留

  • 每个地址段预留20-30%的空间
  • 避免重新规划的复杂性
  • 支持网络增长需求

6. 配置示例

6.1 Cisco路由器配置示例

! 配置子接口
interface GigabitEthernet0/0.10
 encapsulation dot1Q 10
 ip address 10.0.0.1 255.255.255.0
 no shutdown

interface GigabitEthernet0/0.20
 encapsulation dot1Q 20
 ip address 10.0.1.1 255.255.255.128
 no shutdown

6.2 Linux网络配置

# 临时配置
ip addr add 10.0.0.1/24 dev eth0
ip route add default via 10.0.0.254

# 永久配置（CentOS/RHEL）
cat > /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0 << EOF
DEVICE=eth0
BOOTPROTO=static
IPADDR=10.0.0.100
NETMASK=255.255.255.0
GATEWAY=10.0.0.1
DNS1=8.8.8.8
ONBOOT=yes
EOF

6.3 Windows网络配置

# 设置静态IP
New-NetIPAddress -InterfaceAlias "Ethernet" -IPAddress 10.0.0.100 -PrefixLength 24 -DefaultGateway 10.0.0.1

# 设置DNS
Set-DnsClientServerAddress -InterfaceAlias "Ethernet" -ServerAddresses 8.8.8.8,8.8.4.4

7. 验证和故障排除

7.1 验证工具

# 检查IP配置
ip addr show
ifconfig -a

# 测试连通性
ping 10.0.0.1
traceroute 10.0.0.254

# 检查路由表
ip route show
route -n

# 检查ARP表
arp -a
ip neigh show

7.2 常见故障排除

  • IP冲突：检查ARP表和DHCP租约
  • 子网掩码错误：验证网络配置和路由表
  • 网关不可达：检查物理连接和网关配置
  • 广播风暴：监控网络流量和广播包数量

#!/usr/bin/env python3
"""
IP地址子网计算器
用于计算子网掩码、网络地址、广播地址、可用IP范围和网关
"""

import ipaddress
import sys
from typing import List, Dict, Optional

class IPCalculator:
    """IP地址计算器类"""
    
    def __init__(self, network_str: str):
        """
        初始化IP计算器
        
        Args:
            network_str: 网络地址字符串，如 "10.0.0.0/24" 或 "192.168.1.1/255.255.255.0"
        """
        try:
            self.network = ipaddress.ip_network(network_str, strict=False)
        except ValueError as e:
            raise ValueError(f"无效的IP网络地址: {network_str}") from e
    
    def get_network_info(self) -> Dict:
        """获取网络详细信息"""
        return {
            'network_address': str(self.network.network_address),
            'broadcast_address': str(self.network.broadcast_address),
            'subnet_mask': str(self.network.netmask),
            'prefix_length': self.network.prefixlen,
            'total_hosts': self.network.num_addresses,
            'usable_hosts': self.network.num_addresses - 2 if self.network.num_addresses > 2 else 0,
            'first_usable_ip': str(self.network.network_address + 1) if self.network.num_addresses > 2 else None,
            'last_usable_ip': str(self.network.broadcast_address - 1) if self.network.num_addresses > 2 else None,
            'default_gateway': str(self.network.network_address + 1) if self.network.num_addresses > 2 else None,
            'ip_class': self._get_ip_class(),
            'is_private': self.network.is_private,
            'network_type': self._get_network_type()
        }
    
    def _get_ip_class(self) -> str:
        """获取IP地址类别"""
        first_octet = int(str(self.network.network_address).split('.')[0])
        if 1 <= first_octet <= 126:
            return 'A'
        elif 128 <= first_octet <= 191:
            return 'B'
        elif 192 <= first_octet <= 223:
            return 'C'
        elif 224 <= first_octet <= 239:
            return 'D (组播)'
        elif 240 <= first_octet <= 255:
            return 'E (保留)'
        else:
            return '未知'
    
    def _get_network_type(self) -> str:
        """获取网络类型"""
        if self.network.is_private:
            return '私有地址'
        elif self.network.is_reserved:
            return '保留地址'
        elif self.network.is_multicast:
            return '组播地址'
        else:
            return '公网地址'
    
    def get_subnet_breakdown(self, new_prefix: int) -> List[Dict]:
        """
        获取子网划分结果
        
        Args:
            new_prefix: 新的子网前缀长度
            
        Returns:
            子网列表，每个包含详细的网络信息
        """
        if new_prefix <= self.network.prefixlen:
            raise ValueError(f"新的前缀长度必须大于原前缀长度 {self.network.prefixlen}")
        
        if new_prefix > 32:
            raise ValueError("前缀长度不能超过32")
        
        subnets = list(self.network.subnets(new_prefix=new_prefix))
        subnet_info_list = []
        
        for i, subnet in enumerate(subnets):
            calc = IPCalculator(str(subnet))
            info = calc.get_network_info()
            info['subnet_id'] = i + 1
            info['subnet_total'] = len(subnets)
            subnet_info_list.append(info)
        
        return subnet_info_list
    
    def print_network_info(self, info: Optional[Dict] = None):
        """打印网络信息"""
        if info is None:
            info = self.get_network_info()
        
        print(f"\n{'='*60}")
        print(f"网络地址: {info['network_address']}/{info['prefix_length']}")
        print(f"{'='*60}")
        print(f"子网掩码: {info['subnet_mask']}")
        print(f"广播地址: {info['broadcast_address']}")
        print(f"IP类别: {info['ip_class']}")
        print(f"地址类型: {info['network_type']}")
        print(f"私有地址: {'是' if info['is_private'] else '否'}")
        print(f"总地址数: {info['total_hosts']}")
        print(f"可用主机数: {info['usable_hosts']}")
        
        if info['usable_hosts'] > 0:
            print(f"可用IP范围: {info['first_usable_ip']} - {info['last_usable_ip']}")
            print(f"默认网关: {info['default_gateway']}")
        print(f"{'='*60}\n")
    
    def print_subnet_breakdown(self, new_prefix: int, max_display: int = 10):
        """打印子网划分结果"""
        try:
            subnets = self.get_subnet_breakdown(new_prefix)
            total_subnets = len(subnets)
            
            print(f"\n{'='*80}")
            print(f"子网划分: {self.network} → /{new_prefix}")
            print(f"总计子网数: {total_subnets}")
            print(f"每个子网可用主机数: {subnets[0]['usable_hosts']}")
            print(f"{'='*80}\n")
            
            # 显示前max_display个子网或全部子网
            display_count = min(max_display, total_subnets)
            
            for i, subnet_info in enumerate(subnets[:display_count]):
                self.print_network_info(subnet_info)
            
            if total_subnets > max_display:
                print(f"\n... 还有 {total_subnets - max_display} 个子网未显示 ...\n")
                
        except ValueError as e:
            print(f"错误: {e}")

def create_allocation_schemes():
    """创建三大私有地址段的完整分配方案"""
    
    schemes = {
        '10.0.0.0/8': {
            'name': 'A类私有地址段',
            'description': '最大私有地址段，适合大型企业网络',
            'total_ips': 2**24,
            'examples': {
                '/24': {'count': 256, 'hosts_per_subnet': 254},
                '/25': {'count': 512, 'hosts_per_subnet': 126},
                '/26': {'count': 1024, 'hosts_per_subnet': 62},
                '/27': {'count': 2048, 'hosts_per_subnet': 30},
                '/28': {'count': 4096, 'hosts_per_subnet': 14},
                '/29': {'count': 8192, 'hosts_per_subnet': 6},
                '/32': {'count': 16777216, 'hosts_per_subnet': 1}
            }
        },
        '172.16.0.0/12': {
            'name': 'B类私有地址段',
            'description': '中等规模私有地址段，适合中型企业网络',
            'total_ips': 2**20,
            'examples': {
                '/24': {'count': 4096, 'hosts_per_subnet': 254},
                '/25': {'count': 8192, 'hosts_per_subnet': 126},
                '/26': {'count': 16384, 'hosts_per_subnet': 62},
                '/27': {'count': 32768, 'hosts_per_subnet': 30},
                '/28': {'count': 65536, 'hosts_per_subnet': 14},
                '/29': {'count': 131072, 'hosts_per_subnet': 6},
                '/32': {'count': 1048576, 'hosts_per_subnet': 1}
            }
        },
        '192.168.0.0/16': {
            'name': 'C类私有地址段',
            'description': '小型私有地址段，适合小型企业或家庭网络',
            'total_ips': 2**16,
            'examples': {
                '/24': {'count': 256, 'hosts_per_subnet': 254},
                '/25': {'count': 512, 'hosts_per_subnet': 126},
                '/26': {'count': 1024, 'hosts_per_subnet': 62},
                '/27': {'count': 2048, 'hosts_per_subnet': 30},
                '/28': {'count': 4096, 'hosts_per_subnet': 14},
                '/29': {'count': 8192, 'hosts_per_subnet': 6},
                '/32': {'count': 65536, 'hosts_per_subnet': 1}
            }
        }
    }
    
    return schemes

def main():
    """主函数"""
    
    if len(sys.argv) < 2:
        print("使用方法: python ip-calculator.py <网络地址> [子网前缀长度]")
        print("示例:")
        print("  python ip-calculator.py 10.0.0.0/24")
        print("  python ip-calculator.py 192.168.1.0/24 27")
        print("  python ip-calculator.py --schemes")
        return
    
    if sys.argv[1] == '--schemes':
        # 显示分配方案
        schemes = create_allocation_schemes()
        
        print("\n" + "="*80)
        print("私有IP地址段分配方案")
        print("="*80 + "\n")
        
        for network, info in schemes.items():
            print(f"{info['name']} ({network})")
            print(f"描述: {info['description']}")
            print(f"总IP数: {info['total_ips']:,}")
            print("\n子网划分方案:")
            print("-" * 60)
            print(f"{'子网掩码':<10} {'子网数量':<12} {'每子网主机数':<15} {'总主机容量':<15}")
            print("-" * 60)
            
            for prefix, details in info['examples'].items():
                total_capacity = details['count'] * details['hosts_per_subnet']
                print(f"{prefix:<10} {details['count']:<12,} {details['hosts_per_subnet']:<15,} {total_capacity:<15,}")
            
            print("\n" + "="*80 + "\n")
        
        return
    
    try:
        # 创建计算器实例
        calc = IPCalculator(sys.argv[1])
        
        # 打印基本网络信息
        calc.print_network_info()
        
        # 如果指定了子网划分
        if len(sys.argv) > 2:
            new_prefix = int(sys.argv[2])
            calc.print_subnet_breakdown(new_prefix, max_display=5)
        
    except ValueError as e:
        print(f"错误: {e}")
        return 1
    
    except Exception as e:
        print(f"发生错误: {e}")
        return 1

if __name__ == "__main__":
    sys.exit(main())

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