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路由器 <三>

三、IP地址


  在可路由的网络层协议中,协议地址必须含有两部分信息:网络地址和主机地址。存贮这种信息最明显的方法是用两个分离的域,这样我们必须考虑到两个域的最大长度,有些协议(如IPX)就是这样的,它在小型和中型的网络里可以工作的很好。

  另一种方案是减少主机地址域的长度,如24位网络地址、8位主机地址,这样就有了较多的网段,但每个网段内的主机数目很少。这样一来,对于多于256个主机的网络,就必须分配多个网段,其问题是很多的网络给路由器造成了难以忍受的负担。

  IP把网络地址和主机地址一起包装在一个32位的域里,有时主机地址部分很短,有时很长,这样可以有效利用地址空间,减少IP地址的长度,并且网络数目不算多。有两种将主机地址分离出来的方法:基于类的地址和无类别的地址。

1、主机和网关


  主机和网关的区别常产生混淆,这是由于主机意义的转变。在RFC中(1122/3和1009)中定义为:

主机是连接到一个或多个网络的设备,它可以向任何一个网络发送和从其接收数据,但它从不把数据从一个网络传向另一个。

网关是连接到多于一个网络的设备,它选择性的把数据从一个网络转发到其它网络。

  换句话说,过去主机和网关的概念被人工地区分开来,那时计算机没有足够的能力同时用作主机和网关。主机是用户工作的计算机,或是文件服务器等。现代的计算机的能力足以同时担当这两种角色,因此,现代的主机定义应该如此:

主机是连接到一个或多个网络的设备,它可以向任何一个网络发送和从其接收数据。它也可以作为网关,但这不是其唯一的目的。

  路由器是专用的网关,其硬件经过特殊的设计使其能以极小的延迟转发大量的数据。然而,网关也可以是有多个网卡的标准的计算机,其操作系统的网络层有能力转发数据。由于专用的路由硬件较便宜,计算机用作网关已经很少见了,在只有一个拨号连接的小站点里,还可能使用计算机作为非专用的网关。

2、基于类的地址


  最初设计IP时,地址根据第一个字节被分成几类:

0: 保留
1-126: A类(网络地址:1字节,主机地址:3字节)
127: 保留
128-191: B类(网络地址:2字节,主机地址:2字节)
192-223: C类(网络地址:3字节,主机地址:1字节)
224-255: 保留

3、子网划分


  虽然基于类的地址系统对因特网服务提供商来说工作得很好,但它不能在一个网络内部做任何路由,其目的是使用第二层(桥接/交换)来导引网络中的数据。在大型的A类网络中,这就成了个特殊的问题,因为在大型网络中仅使用桥接/交换使其非常难以管理。在逻辑上其解决办法是把大网络分割成若干小的网络,但在基于类的地址系统中这是不可能的。为了解决这个问题,出现了一个新的域:子网掩码。子网掩码指出地址中哪些部分是网络地址,哪些是主机地址。在子网掩码中,二进制1表示网络地址位,二进制0表示主机地址位。传统的各类地址的子网掩码为:

A类:255.0.0.0

B类:255.255.0.0

C类:255.255.255.0

  如果想把一个B类网络的地址用作C类大小的地址,可以使用掩码255.255.255.0。

  用较长的子网掩码把一个网络分成多个网络就叫做划分子网。要注意的是,一些旧软件不支持子网,因为它们不理解子网掩码。例如UNIX的routed路由守护进程通常使用的路由协议是版本1的RIP,它是在子网掩码出现前设计的。

  上面只介绍了三种子网掩码:255.0.0.0、255.255.0.0和255.255.255.0,它们是字节对齐的子网掩码。但是也可以在字节中间对其进行划分,这里不进行详细讲解,请参照相关的TCP/IP书籍。

  子网使我们可以拥有新的规模的网络,包括很小的用于点到点连接的网络(如掩码255.255.255.252,30位的网络地址,2位的主机地址:两个主机的子网),或中型网络(如掩码255.255.240.0,20位网络地址,12位主机地址:4094个主机的子网)。

  注意DNS被设计为只允许字节对齐的IP网络(在in-addr.arpa.域中)。

4、超网(supernetting)


  超网是与子网类似的概念--IP地址根据子网掩码被分为独立的网络地址和主机地址。但是,与子网把大网络分成若干小网络相反,它是把一些小网络组合成一个大网络--超网。

  假设现在有16个C类网络,从201.66.32.0到201.66.47.0,它们可以用子网掩码255.255.240.0统一表示为网络201.66.32.0。但是,并不是任意的地址组都可以这样做,例如16个C类网络201.66.71.0到201.66.86.0就不能形成一个统一的网络。不过这其实没关系,只要策略得当,总能找到合适的一组地址的。

5、可变长子网掩码(VLSM)


  如果你想把你的网络分成多个不同大小的子网,可以使用可变长子网掩码,每个子网可以使用不同长度的子网掩码。例如:如果你按部门划分网络,一些网络的掩码可以为255.255.255.0(多数部门),其它的可为255.255.252.0(较大的部门)。

6、无类别地址(CIDR)


  因特网上的主机数量增长超出了原先的设想,虽然还远没达到232,但地址已经出现匮乏。1993年发表的RFC1519--无类别域间路由CIDR(Classless Inter-Domain Routing)--是一个尝试解决此问题的方法。CIDR试图延长IPv4的寿命,与128位地址的IPv6不同,它并不能最终解决地址空间的耗尽,但IPv6的实现是个庞大的任务,因特网目前还没有做好准备。CIDR给了我们缓冲的准备时间。

  基于类的地址系统工作的不错,它在有效的地址使用和少量的网络数目间做出了较好的折衷。但是随着因特网意想不到的成长出现了两个主要的问题:

已分配的网络数目的增长使路由表大得难以管理,相当程度上降低了路由器的处理速度。

僵化的地址分配方案使很多地址被浪费,尤其是B类地址十分匮乏。

  为了解决第二个问题,可以分配多个较小的网络,例如,用多个C类网络而不是一个B类网络。虽然这样能够很有效地分配地址,但是更加剧了路由表的膨胀(第一个问题)。

  在CIDR中,地址根据网络拓扑来分配。连续的一组网络地址可以被分配给一个服务提供商,使整组地址作为一个网络地址(很可能使用超网技术)。例如:一个服务提供商被分配以256个C类地址,从213.79.0.0到213.79.255.0,服务提供商给每个用户分配一个C类地址,但服务提供商外部的路由表只通过一个表项--掩码为255.255.0.0的网络213.79.0.0--来分辨这些路由。

  这种方法明显减少了路由表的增长,CIDR RFC的作者估计,如果90%的服务提供商使用了CIDR,路由表将以每3年54%的速度增长,而如果没有使用CIDR,则增长速度为776%。如果可以重新组织现有的地址,则因特网骨干上的路由器广播的路由数量将大大减少。但这实际是不可行的,因为将带来巨大的管理负担。

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