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無類域間路由與可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼技術(shù)探究
摘 要：在當(dāng)前IPv4向IPv6過渡的階段，由于軟硬件技術(shù)的更新限制，IPv4仍占據(jù)較為重要的地位，IPv4的無類域間路由與可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼技術(shù)仍在網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用，IPv4中很好地利用了NAT(網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換)技術(shù)與私有地址相結(jié)合緩解了地址不足的矛盾，同時(shí)在IP地址分配過程中無類域間路由與可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼技術(shù)也功不可沒。該文通過對(duì)其技術(shù)的剖析，幫助愛好者在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中合理掌控網(wǎng)絡(luò)大小。
關(guān)鍵字：IPv4 無類域間路由 CIDR 子網(wǎng)掩碼 VLSM
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，IPv4將逐步向IPv6過渡，但由于軟硬件的更新對(duì)于生廠商與用戶來說都需要一個(gè)過程，目前國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中IPv4仍占據(jù)較為重要的地位�；ヂ�(lián)網(wǎng)地址分配機(jī)構(gòu)(IANA)已將IPv4的全部地址段分配完畢，已無地址可分，現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)中ISP(Internet服務(wù)提供商)需統(tǒng)籌利用自己所掌握的IP地址，調(diào)整不合理的IP使用方案，給需要地址的用戶提供服務(wù)。IPv4中很好地利用了NAT(網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換)技術(shù)與私有地址相結(jié)合緩解了地址不足的矛盾，同時(shí)在IP地址分配過程中無類域間路由與可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼技術(shù)也功不可沒。
1 IPv4基本概念及類地址應(yīng)用局限性
1.1 IP地址與子網(wǎng)掩碼
Internet中使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，其中網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議為IP(Internet Protocol)協(xié)議，在IP(第4版)報(bào)文中表示報(bào)文來源的原地址和發(fā)往目的地的目標(biāo)地址均為32為二進(jìn)制地址，網(wǎng)絡(luò)中習(xí)慣將32位二進(jìn)制數(shù)組成的地址稱為IP地址。IP地址由網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào)(網(wǎng)絡(luò)ID)與主機(jī)標(biāo)識(shí)號(hào)(主機(jī)ID)組成，這樣IP地址就可以用來識(shí)別某一臺(tái)主機(jī)，而且還隱含著該主機(jī)網(wǎng)際間的路徑信息。負(fù)責(zé)將IP地址劃分成網(wǎng)絡(luò)ID與主機(jī)ID的掩碼稱為子網(wǎng)掩碼。子網(wǎng)掩碼也是一個(gè)32位二進(jìn)制地址，它的原碼與IP地址原碼做“與”運(yùn)算，可得到網(wǎng)絡(luò)ID，除去網(wǎng)絡(luò)ID，剩余部分就是主機(jī)ID。有了IP地址和子網(wǎng)掩碼，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的操作系統(tǒng)就可以正確地識(shí)別IP報(bào)文并作相應(yīng)的處理。
1.2 IPv4中類地址應(yīng)用的局限性
Internet委員會(huì)將IPv4分為A、B、C、D、E五類IP地址以適合不同容量的網(wǎng)絡(luò)。其中A、B、C三類由IANA在全球范圍內(nèi)統(tǒng)一分配，D、E類為特殊地址。A類地址可標(biāo)識(shí)126個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可容納16 777 214個(gè)主機(jī);B類地址可標(biāo)識(shí)16 382個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可容納65 534個(gè)主機(jī);C類地址可標(biāo)識(shí)2 097 150個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可容納254個(gè)主機(jī)。在早期分配過程中，規(guī)定只允許按類地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)為最小單位將整個(gè)A或B或C類地址分給集團(tuán)用戶，這種IP地址分類的分配方案涉及三個(gè)方面的局限性。
(1)類地址劃分方法造成IP地址的浪費(fèi)。如一個(gè)組織最多有2 000臺(tái)主機(jī)的中等大小的網(wǎng)絡(luò)，分配一個(gè)B類地址(65 534個(gè))就會(huì)有63 534個(gè)寶貴的IP地址資源浪費(fèi)。
(2)Internet路由表幾乎裝滿。為盡可能減少IP地址資源的浪費(fèi)，也可以考慮分配多個(gè)C類地址的方案，如給該2 000臺(tái)主機(jī)的組織分配8個(gè)較小的C類網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)C網(wǎng)可容納254臺(tái)主機(jī)，共分配了2 032個(gè)IP地址。這種解決方案雖然減少了IP地址的浪費(fèi)，但為解決該組織的8個(gè)C網(wǎng)與Internet互聯(lián)，要在Internet每個(gè)路由器中都寫入8條路由來保障有關(guān)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，增加了Internet路由表信息量。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，路由器中路由表幾乎裝滿，影響轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的開銷進(jìn)而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。
(3)所有有效IP地址會(huì)最終分配完。因?yàn)榉诸惙椒ǖ睦速M(fèi)以及有限數(shù)量的有效IP地址，如果仍然使用分類方法分配IP地址，整個(gè)公網(wǎng)IP地址將很快被耗盡。
2 無類域間路由與可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼技術(shù)
互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)小組(IETF)引入了無類域間路由(CIDR)與可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼(VLSM)技術(shù)，解決IPv4中類地址劃分的局限性。無類域間路由的基本思想是取消地址的分類結(jié)構(gòu)，IP地址之間不再有類型差別，即不再有A、B、C類地址之分，它是通過靈活改變子網(wǎng)掩碼的長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)的。IP地址是由子網(wǎng)掩碼將其分成網(wǎng)絡(luò)ID與主機(jī)ID，子網(wǎng)掩碼是用從左向右若干個(gè)連續(xù)“1”來控制IP地址的網(wǎng)絡(luò)ID，只要合理設(shè)計(jì)子網(wǎng)掩碼的構(gòu)成，即子網(wǎng)掩碼左邊起連續(xù)“1”的個(gè)數(shù)，便可控制網(wǎng)絡(luò)的大小，這便是可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼技術(shù)的核心。
以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的C類地址221.232.130.158(11011101.11101000.10000010.10011110)為例，其子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0(11111111.11111111.11111111.00000000，從左向右連續(xù)24個(gè)1，右邊不足32位的全部用0填充，也可記作“/24”)，可計(jì)算出該地址對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)ID為221.232.130.0，廣播地址為221.232.130.255，主機(jī)ID為158，與其在同一子網(wǎng)的主機(jī)ID范圍為1～254，該子網(wǎng)共有254個(gè)主機(jī)地址可用。
通過增加子網(wǎng)掩碼的長(zhǎng)度，可以縮小網(wǎng)絡(luò)范圍，量體裁衣，減少地址的浪費(fèi)。若要將IP地址221.232.130.158控制在8個(gè)IP地址(包括網(wǎng)絡(luò)地址與廣播地址)的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，則要將原有網(wǎng)絡(luò)256個(gè)地址，細(xì)分為32個(gè)網(wǎng)絡(luò)，子網(wǎng)掩碼須加長(zhǎng)5個(gè)“1”(由2m=32，計(jì)算得m=5)，來控制網(wǎng)絡(luò)的大小，即設(shè)計(jì)子網(wǎng)掩碼為“/29”(11111111.11111111.11111111.11111000)，將IP地址與該子網(wǎng)掩碼“與”運(yùn)算后，可得其網(wǎng)絡(luò)ID為221.232.130.152，不難推算出該網(wǎng)絡(luò)廣播地址為221.232.130.159，可用的6個(gè)主機(jī)ID范圍為153～158。一般將原有較大的網(wǎng)絡(luò)細(xì)分成多個(gè)“子網(wǎng)”，其目的有二：(1)ISP合理分配IP地址從而減少浪費(fèi);(2)控制Intranet中子網(wǎng)廣播范圍來保證網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)也便于日常管理與維護(hù)。
也可以通過縮短子網(wǎng)掩碼的長(zhǎng)度擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的容量。若要將IP地址221.232.130.158控制在500個(gè)左右IP地址的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)子網(wǎng)掩碼為“/23”(11111111.11111111.11111110.00000000，2n-2≥500，nmin=9，m=32-9=23)，將IP地址與該子網(wǎng)掩碼“與”運(yùn)算后，可得其網(wǎng)絡(luò)ID為221.232.130.0，可用的512個(gè)IP地址范圍為：221.232.130.1至221.232.131.254。也可以認(rèn)為是將221.232.130.0/24與221.232.131.0/24這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)匯聚成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在路由器中只需要設(shè)置一條路由(ip route 221.232.130.0 0.0.1.255 x.x.x.x)即可將其連接到Internet中，這種將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)匯聚成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成的新網(wǎng)絡(luò)稱之為“超網(wǎng)”，其大多應(yīng)用到路由設(shè)備的路由匯聚方案中。
3 結(jié)語
通過對(duì)無類域間路由與可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼技術(shù)的深入理解，我們可以靈活控制網(wǎng)段的大小，滿足實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的需要。在Intranet網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，為優(yōu)化路由設(shè)備的路由表，要盡可能匯聚路由，增加單條路由的容積，使設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最優(yōu)，我們需要設(shè)計(jì)較大的網(wǎng)絡(luò);同時(shí)為控制廣播信號(hào)，避免網(wǎng)絡(luò)“噪音”過大，我們又要將網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)得足夠小，盡可能多地設(shè)計(jì)子網(wǎng)，將不同類用戶分組到不同的VLAN中，提高網(wǎng)絡(luò)性能。當(dāng)然，隨著Intranet中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的不斷更新，我們應(yīng)規(guī)劃并有序推進(jìn)IPv6方案，讓無類域間路由與可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼完成其技術(shù)使命，最終讓其隨IPv4成為歷史。
參考文獻(xiàn)
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