一、子网与子网掩码机制的因由
子网与子网掩码机制是IPv4网络为了解决早期地址设计缺陷而引入的核心机制，其本质是将传统的两级IP地址升级为三级地址结构，从而实现更精细、更高效的网络管理。子网掩码的诞生，源于早期“分类IP地址”设计的结构性缺陷。我们知道，在20世纪80年代之前，IPv4地址被划分为A、B、C等类别，其网络代码与主机代码的位数是固定的。这种“两级地址”结构（网络代码 + 主机代码）在实际应用中暴露了三大问题：地址空间浪费严重、路由表急剧膨胀和灵活性缺乏，具体详见下表1的陈述。
表 1：IPv4地址两级结构带来的局限性
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为了解决这些问题，RFC 950在1985年正式引入了子网划分（Subnetting）的概念。其核心思路是：从IP地址的主机代码部分“借”出若干位，作为新的“子网代码”，从而将两级地址结构{<网络位>, <主机位>}演变为三级结构{<网络位>, <子网位>, <主机位>}。如下图1所示。对外，整个组织仍然表现为一个单一网络；对内，则可以根据需要划分出多个逻辑子网。即为了提高IPv4地址的使用效率，一个网络可以划分为多个子网：采用借位的方式，从主机最高位开始借位变为新的子网位，剩余部分仍为主机位。
图1：带有子网位的IPv4地址结构
子网编址使得IP地址具有一定的内部层次结构，这种层次结构便于IP地址分配和管理。它的使用关键在于选择合适的层次结构，使得网络地址既能适应各种现实的物理网络规模，又能充分地利用IP地址空间（即从何处分隔子网号和主机号来决定）。
二、子网与子网掩码
1、子网
子网编址（Subnet Addressing）技术，又叫子网寻径（Subnetrouting），是最广泛使用的IP网络地址复用方式。通常，32位的IP地址分为两部分，即网络代码和主机代码，分别叫做IP地址的“网间网部分”和“本地部分”。子网编址技术将本地部分进一步划分为“物理网络”部分（即图1中的子网位部分）和“主机位”部分，如图2所示。其中“物理网络”用于标识同一IP网络地址下的不同物理网络，即“子网”。
图2：子网编址原理
2、子网掩码
子网位的子网代码是“借”出来的，但一个IP数据包的首部本身并不包含“借了多少位”这一信息。因此，必须有一个配套的“说明书”来告知设备如何解读地址结构，子网掩码（Subnet Mask）就扮演了这个角色。
子网掩码（Subnet Mask）结构与规则：子网掩码是一个与IP地址等长的32位二进制数，其构成规则极其简洁：网络位（含子网代码）对应位全部置为 1，主机位对应位全部置为 0；并且，这些1和0必须是连续的，即1在前，0在后。
例如，一个C类地址的默认掩码是255.255.255.0（/24），如果借用2位作为子网号，新掩码就是255.255.255.192（/26），二进制形式为...11111111.11000000。再如位模式“11111111 11111111 11111111 00000000”中，前三个字节全1，代表对应IP地址中最高的三个字节为网络地址；后一个字节全0，代表对应IP地址中最后的一个字节为主机地址。为了使用的方便，子网掩码与IP地址一样，使用“点分十进制表示法”。例如B类地址子网掩码（11111111 11111111 11111111 00000000）为255.255.255.0。
IP协议关于子网掩码的定义提供一种有趣的灵活性，允许子网掩码中的“0”和“1”位不连续。但是，这样的子网掩码给分配主机地址和理解寻径表都带来一定困难，并且极少的路由器支持在子网中使用低序或无序的位，因此在实际应用中通常各网点采用连续方式的子网掩码。如上述的255.255.255.0。
3、子网掩码的作用
子网掩码与IP地址结合使用，可以区分出一个网络地址的网络代码和主机代码。子网掩码的核心作用是提取网络地址，这一过程通过子网掩码与IP地址进行按位逻辑“与”运算实现。
逻辑“与”运算规则为：1 AND X = X，0 AND X = 0。
因此，掩码中的1会“保留”IP地址的对应位（网络部分），而0会“屏蔽”IP地址的对应位（主机部分归零），最终的结果就是该IP地址所属的网络地址。
例如，有一个C类地址为192.10.1.18，其缺省的子网掩码为255.255.255.0，则它的网络代码和主机代码可按如下方法得到：
将IP地址192.10.1.18 转换为二进制： 11000000 00001010 0000001 00010010；
将子网掩码255.255.255.0转换为二进制： 11111111 11111111 11111111 00000000；
将两个二进制数逻辑与（AND）运算后得出的结果为11000000 00001010 00000001 00000000，即网络代码为192.10.1.0；
将子网掩码取反再与IP地址逻辑与（AND）后得到的结果即为主机部分：11000000 00001010 0000001 00010010 AND 00000000 00000000 00000000 11111111，逻辑运算结果为00000000 00000000 00000000 00010010，即0 .0.0 .18，得到的主机代码为18。
判断两台主机是否在同一子网，就是看它们各自的IP与掩码进行AND运算后，得到的网络地址是否相同。
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三、子网数目与子网掩码
1、子网划分的方法
在实际的网络中，子网的划分有一些通常用的方法，以下给出划分子网和定义子网掩码的规则，步骤如下：
第一步，将要划分的子网数目转换为2的n次方。如要分8个子网，则8=23。
第二部，取上述要划分子网数的2的n次方的幂。如23，即n = 3。
第三步，将上一步确定的幂n按高序占用主机地址n位后转换为十进制。如n为3则是11100000，转换为十进制为224，即为最终确定的子网掩码。如果是C类网，则子网掩码为255.255.255.224；如果是B类网，则子网掩码为255.255.224.0；如果是A类网，则子网掩码为255.224.0.0。
在这里，子网个数与占用主机地址位数有如下等式成立：2n = m。其中，n表示占用主机地址的位数；m表示划分的子网个数。
2、示例
根据上述规则，将一个B类网络分成4个子网。若我们用的网络代码为168.18.10，则该B类网内的主机IP地址就是168.18.10.1~168.18.10.254（因为全“0”和全“1”的主机地址有特殊含义，不作为有效的IP地址），现将网络划分为4个部分，按照以上步骤：4=22，取22的幂，即2，则二进制为11，占用主机地址的高序位即为11000000，转换为十进制为192。这样就可确定该子网掩码为255.255.192.0，4个子网的IP地址范围分别为：
10101000 00010010 00001010 00000001~10101000 00010010 00001010 00111110，即168.18.10.1~168.18.10.62
10101000 00010010 00001010 01000001~10101000 00010010 00001010 01111110，即168.18.10.65~168.18.10.126
10101000 00010010 00001010 10000001~10101000 00010010 00001010 10111110，即168.18.10.129~168.18.10.190
10101000 00010010 00001010 11000001~10101000 00010010 00001010 111111110，即168.18.10.193~168.18.10.254
3、子网数目与子网掩码间的转换
依据上述规则，A、B、C三类网络子网数目与子网掩码的转换表请详见下表3-3-1至表3-3-3所列，可供参考。
表 3-3-1：A类网络子网数目与子网掩码的转换
表 3-3-2：B类网络子网数目与子网掩码的转换
表 3-3-3：C类网络子网数目与子网掩码的转换
四、子网划分的相关参数
掌握了上述原理，就可以推导出子网划分中的关键参数：网络地址、广播地址、可用主机地址范围、可用主机数等，其计算方法详见下表4的介绍。
表 4：子网划分中的关键参数及计算
依据表中的方法，以 192.168.1.10/26（掩码255.255.255.192）为例：主机位为6位（32-26），因此可用主机数为 26 - 2 = 62 台，网络地址是192.168.1.0，广播地址是192.168.1.63，可用范围是192.168.1.1至192.168.1.62。
子网与子网掩码的机制，本质上是为IPv4地址引入了一个可灵活定义的层次维度。子网划分是为了解决地址浪费和路由表膨胀的管理需求；子网掩码则是实现这一需求的技术手段，它通过标准化的位模式，让网络设备能够以“按位与”这一简单高效的运算，从单一的IP地址中动态解析出网络、子网与主机的三级结构。这一设计也为后续更灵活的变长子网掩码（VLSM） 和无分类域间路由（CIDR） 奠定了基础。
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