從零搞懂 IPv4 位址與子網路切分（Subnetting）

在電腦網路世界中，IP 位址（Internet Protocol Address） 是設備在網路層（OSI 第 3 層）進行尋址與通訊的核心基礎。與燒錄在網路卡（NIC）上的實體 MAC 位址（第 2 層）不同，IP 位址是由網路管理者或 DHCP 伺服器動態分配的邏輯位址。

IPv4 核心特性與階層架構

IPv4 是目前網際網路廣泛採用的無連接協定（Connectionless Protocol），具備以下核心機制：

• 獨立封包傳輸：每個封包獨立路由，可能因負載平衡或路由協定指標（如 OSPF 的頻寬、RIP 的跳數 Hop Count）而走不同路徑抵達目的地。
• 盡力而為傳輸（Best-Effort Delivery）：協定本身不提供資料復原機制；可靠傳輸依賴傳輸層（Layer 4）的 TCP 三方交握（Three-way Handshake）與重傳機制實現。
• 階層式架構（Hierarchical Addressing）：每個 IP 位址均劃分為兩個部分：
• 網路識別碼（Network ID）：標識設備所在的特定子網路，路由器藉由維護路由表將封包轉發至對應網路。
• 主機識別碼（Host ID）：標識該子網路中的特定端點設備（如 PC、伺服器、印表機、手機等）。

傳統網路類別（Classful Addressing）

早期 IPv4 依據開頭位元將位址分為五大類（現今已被無類別域間路由 CIDR 取代；IPv6 則完全不採用分類機制）：

特殊與保留位址

1. 環回位址（Loopback Address）

• 範圍：127.0.0.0/8（最典型範例為 127.0.0.1）。
• 功能：允許系統將封包發送給自己，用以驗證本機作業系統的 TCP/IP 協定堆疊是否正常運作。
• 註：路由器的 Loopback 介面為虛擬邏輯介面，與本機自我測試用的 127.0.0.1 概念不同。

2. 本地廣播位址（Local Broadcast）

• 位址：255.255.255.255（二進位全為 1）。
• 功能：向本地網段內的所有設備廣播封包（例如設備開機時發出的 DHCP Discover 請求）。路由器預設不會轉發此封包。

3. 定向廣播位址（Directed Broadcast）

• 特徵：特定網路中主機位元全為 1 的位址（例如網路 172.31.0.0/16 的定向廣播為 172.31.255.255）。
• 安全考量：路由器具備轉發定向廣播的能力，但基於防範放大式 DDoS 攻擊（如 Smurf Attack），現代路由器預設皆禁用此功能。

4. 私有位址範圍（Private IP, RFC 1918）

不可直接在公網（Internet）上路由，需透過 NAT 技術轉換為公網 IP：

• Class A：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255（共 1 個 /8 網段）
• Class B：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255（共 16 個 /16 網段）
• Class C：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255（共 256 個 /24 網段）

5. 鏈路本地位址（IPv4 Link-Local / APIPA）

當設備設定為自動取得 IP（DHCP），卻在時限內找不到 DHCP 伺服器時，作業系統會自動啟動 APIPA（Automatic Private IP Addressing） 機制：

• 固定範圍：169.254.0.0/16（子網路遮罩固定為 255.255.0.0）。
• 衝突檢測：指派前會先在區網發送 ARP 請求確認無人佔用；若有衝突則重新挑選。
• 非可路由：路由器不會轉發此網段封包，僅能與同一個區域網路交換器下的設備進行臨時通訊。

四、子網路遮罩（Subnet Mask）運算與路由判斷

子網路遮罩由一串連續的二進位 1 與 0 組成：

• 遮罩為 1 的位元：對應 Network ID。
• 遮罩為 0 的位元：對應 Host ID。

設備透過將目的地位址與自身的子網路遮罩進行逐位元 AND 邏輯運算，判斷目標是本地還是遠端：

• 本地主機（Local）：計算出的 Network ID 與自身相同，直接透過 Layer 2（ARP + MAC）在區網內交付。
• 遠端主機（Remote）：Network ID 不同，必須將封包送往預設閘道（Default Gateway）轉發。

子網路切分（Subnetting）計算實戰

核心公式

• 可劃分子網路數：
  $$2^n$$

（$n$ 為向主機位元借用的子網路位元數）

• 每個子網路可用主機數：
  $$2^h - 2$$

（$h$ 為剩餘的主機位元數；減去 2 是扣除 網路位址 與 廣播位址）

實戰範例 1：標準 C 類切分（/24）

• 主機 IP：192.168.1.18/24
• 遮罩：255.255.255.0（前 24 位元為網路，後 8 位元為主機）

主機位元（最後 8 bit）：00010010 (18)

- 子網路位址 (Network)   : 192.168.1.00000000 -> 192.168.1.0
- 第一個可用主機 (1st)    : 192.168.1.00000001 -> 192.168.1.1
- 最後一個可用主機 (Last) : 192.168.1.11111110 -> 192.168.1.254
- 廣播位址 (Broadcast)   : 192.168.1.11111111 -> 192.168.1.255

實戰範例 2：跨 Byte 切分（/20）

• 主機 IP：172.16.35.123/20
• 遮罩：255.255.240.0（前 20 位元為網路，後 12 位元為主機）

第 3 個 Octet (35) 拆解：00100011
前 4 bits (0010) 屬於網路部分；後 4 bits (0011) 屬於主機部分。

IP 結構拆解：
[ 172 . 16 . 0010 ] [ 0011 . 01111011 ]
└── 網路部分 (20 bits) ──┘ └── 主機部分 (12 bits) ──┘

- 子網路位址 (Network)   : 172.16.00100000.00000000 -> 172.16.32.0
- 第一個可用主機 (1st)    : 172.16.00100000.00000001 -> 172.16.32.1
- 最後一個可用主機 (Last) : 172.16.00101111.11111110 -> 172.16.47.254
- 廣播位址 (Broadcast)   : 172.16.00101111.11111111 -> 172.16.47.255