IP Addressing 全面解析 - 網路架構師視角

一、核心概念 (Concept)

一句話定義：

IP Address (網際網路協定位置) 是網路上每一個設備的「唯一識別證」，就像是現實生活中的門牌號碼。

生活化比喻：電話系統

Public IP (公有 IP)： 就像公司的總機號碼 (例如 02-2222-3333)。全世界都可以直接撥打這個號碼找到這家公司。
Private IP (私有 IP)： 就像公司內部的分機號碼 (例如分機 101)。外部無法直接撥分機 101 找到你，必須透過總機轉接。
NAT (轉譯)： 總機小姐，負責把外部打來的電話轉給內部分機。

🏢 ↔️ 📞

總機 (Public) vs 分機 (Private)

二、運作原理 (Mechanism)

IPv4 地址由 32 位元組成，通常分為 4 組 8 位元的十進制數字顯示 (例如 192.168.1.1)。為了便於管理，早期分為五類，我們主要關注 A、B、C 三類。

類別	範圍 (第一組數字)	私有 IP 範圍 (Private IP)	適用場景
Class A	1 ~ 126	10.0.0.0 - 10.255.255.255	超大型網路 (跨國企業、ISP)
Class B	128 ~ 191	172.16.0.0 - 172.31.255.255	中大型企業、校園網
Class C	192 ~ 223	192.168.0.0 - 192.168.255.255	小型辦公室、家庭網路

* 127.x.x.x 為 Loopback 測試位址，不屬於任何一類。

互動式 8-bit 轉換器

點擊下方的位元開關，觀察二進制與十進制的變化。這是理解 Subnet Mask 的基礎。

128

0

64

0

32

0

16

0

8

0

4

0

2

0

1

0

十進制總和

0

CIDR (Classless Inter-Domain Routing)

CIDR 用「斜線記法」來表示子網路遮罩。例如 /24 代表二進制的前 24 個位元都是 1。

範例：192.168.1.0/24

網路位元 (Network Bits)： 24 bits (決定網段)
主機位元 (Host Bits)： 32 - 24 = 8 bits (決定該網段能有多少設備)
可用 IP 數量： 2⁸ - 2 = 254 個 (-2 是因為扣除 Network ID 與 Broadcast IP)
子網路遮罩： 255.255.255.0

常用 CIDR 速查表：

/8 (Class A)

/16 (Class B)

/24 (Class C)

/30 (P2P Link)

實戰：同網段判斷 - 10.10.10.1/30 與 10.10.10.5/30

結論：不是！它們屬於不同的子網路。

透過下方的「完整位元運算」，我們可以看到 10.10.10.1 與 10.10.10.5 在經過 /30 遮罩過濾後，產生了不同的 Network ID。

1 步驟一：理解 /30 遮罩

/30 代表 IP 位址的前 30 個位元 (Bits) 是網路位元 (Network Bits)，不可變動。只有最後 2 個位元是主機位元 (Host Bits)。

Subnet Mask (Decimal)

255.255.255.252

Subnet Mask (Binary)

11111111.11111111.11111111.11111100

2 步驟二：完整位元 AND 運算

將 IP 位址與遮罩進行二進制 AND 運算 (只有 1 AND 1 才會是 1，否則為 0)。請觀察紅字標示的網路邊界。

計算 A：10.10.10.1 /30

Decimal : 10      .10      .10      .1
IP Bin  : 00001010.00001010.00001010.00000001
Mask    : 11111111.11111111.11111111.11111100  (/30)
AND Op  : -----------------------------------
Network : 00001010.00001010.00001010.00000000
Decimal : 10      .10      .10      .0    (Network ID)

👉 網段範圍：10.10.10.0 ~ 10.10.10.3 (可用: .1, .2)

計算 B：10.10.10.5 /30

Decimal : 10      .10      .10      .5
IP Bin  : 00001010.00001010.00001010.00000101
Mask    : 11111111.11111111.11111111.11111100  (/30)
AND Op  : -----------------------------------
Network : 00001010.00001010.00001010.00000100
Decimal : 10      .10      .10      .4    (Network ID)

👉 網段範圍：10.10.10.4 ~ 10.10.10.7 (可用: .5, .6)

架構師觀點： 因為算出來的 Network ID 一個是 .0，另一個是 .4，這證明它們在Layer 3是完全不同的網路。如果這兩台設備直接對接 (例如用一條網路線連起來)，它們無法 Ping 通對方，除非中間有 Router 或將遮罩改為 /29 (包含 .0 ~ .7)。

三、架構視覺化 (Visuals)

下圖展示了 Public IP 與 Private IP 如何在企業環境中共存。請注意路由器 (Router) 扮演的邊界角色。

graph TD Internet((網際網路
The Internet)) subgraph "Public Network (公網)" ISP[ISP 業者] PublicIP[企業路由器 WAN
Public IP: 203.0.113.5] end subgraph "Private Network (私網 - LAN)" Router[企業路由器 NAT/Gateway] Switch[L2 交換器] PC1[財務部電腦
192.168.1.10/24] PC2[人資部電腦
192.168.1.20/24] Server[內部伺服器
192.168.1.100/24] end Internet --- ISP ISP --- PublicIP PublicIP --- Router Router --- Switch Switch --> PC1 Switch --> PC2 Switch --> Server style PublicIP fill:#f96,stroke:#333,stroke-width:2px style PC1 fill:#bbf,stroke:#333 style PC2 fill:#bbf,stroke:#333 style Server fill:#bfb,stroke:#333

圖示：Mermaid 繪製的 IP 架構拓撲

四、實務應用場景 (Use Case)

場景：中型企業總部的 IP 規劃

一家有 200 名員工的公司，向 ISP 申請了一條光纖線路，ISP 提供了一組固定 Public IP (59.124.x.x)。

挑戰

Public IP 只有一個，但有 200 台電腦要上網。
部門之間 (業務部、研發部) 需要隔離，避免資料外洩。

解決方案 (Design)

NAT 技術： 所有 200 人透過路由器的 NAT 功能，共用那一個 Public IP 上網。
VLAN + CIDR 劃分：
- 業務部: 192.168.10.0/24
- 研發部: 192.168.20.0/24
- 伺服器區: 192.168.30.0/24

五、隨堂測驗 (Quiz)

請嘗試回答以下問題，測試你的理解程度。