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無類域間路由與可變長子網掩碼技術探究
摘 要：在當前IPv4向IPv6過渡的階段，由于軟硬件技術的更新限制，IPv4仍占據較為重要的地位，IPv4的無類域間路由與可變長子網掩碼技術仍在網絡中廣泛應用，IPv4中很好地利用了NAT(網絡地址轉換)技術與私有地址相結合緩解了地址不足的矛盾，同時在IP地址分配過程中無類域間路由與可變長子網掩碼技術也功不可沒。該文通過對其技術的剖析，幫助愛好者在實際網絡規劃中合理掌控網絡大小。
關鍵字：IPv4 無類域間路由 CIDR 子網掩碼 VLSM
隨著網絡技術的發展，IPv4將逐步向IPv6過渡，但由于軟硬件的更新對于生廠商與用戶來說都需要一個過程，目前國內網絡中IPv4仍占據較為重要的地位。互聯網地址分配機構(IANA)已將IPv4的全部地址段分配完畢，已無地址可分，現今的網絡中ISP(Internet服務提供商)需統籌利用自己所掌握的IP地址，調整不合理的IP使用方案，給需要地址的用戶提供服務。IPv4中很好地利用了NAT(網絡地址轉換)技術與私有地址相結合緩解了地址不足的矛盾，同時在IP地址分配過程中無類域間路由與可變長子網掩碼技術也功不可沒。
1 IPv4基本概念及類地址應用局限性
1.1 IP地址與子網掩碼
Internet中使用的網絡協議是TCP/IP協議，其中網絡層協議為IP(Internet Protocol)協議，在IP(第4版)報文中表示報文來源的原地址和發往目的地的目標地址均為32為二進制地址，網絡中習慣將32位二進制數組成的地址稱為IP地址。IP地址由網絡標識號(網絡ID)與主機標識號(主機ID)組成，這樣IP地址就可以用來識別某一臺主機，而且還隱含著該主機網際間的路徑信息。負責將IP地址劃分成網絡ID與主機ID的掩碼稱為子網掩碼。子網掩碼也是一個32位二進制地址，它的原碼與IP地址原碼做“與”運算，可得到網絡ID，除去網絡ID，剩余部分就是主機ID。有了IP地址和子網掩碼，計算機和網絡設備中的操作系統就可以正確地識別IP報文并作相應的處理。
1.2 IPv4中類地址應用的局限性
Internet委員會將IPv4分為A、B、C、D、E五類IP地址以適合不同容量的網絡。其中A、B、C三類由IANA在全球范圍內統一分配，D、E類為特殊地址。A類地址可標識126個網絡，每個網絡中可容納16 777 214個主機;B類地址可標識16 382個網絡，每個網絡中可容納65 534個主機;C類地址可標識2 097 150個網絡，每個網絡中可容納254個主機。在早期分配過程中，規定只允許按類地址的網絡號為最小單位將整個A或B或C類地址分給集團用戶，這種IP地址分類的分配方案涉及三個方面的局限性。
(1)類地址劃分方法造成IP地址的浪費。如一個組織最多有2 000臺主機的中等大小的網絡，分配一個B類地址(65 534個)就會有63 534個寶貴的IP地址資源浪費。
(2)Internet路由表幾乎裝滿。為盡可能減少IP地址資源的浪費，也可以考慮分配多個C類地址的方案，如給該2 000臺主機的組織分配8個較小的C類網絡，每個C網可容納254臺主機，共分配了2 032個IP地址。這種解決方案雖然減少了IP地址的浪費，但為解決該組織的8個C網與Internet互聯，要在Internet每個路由器中都寫入8條路由來保障有關數據包的轉發，增加了Internet路由表信息量。隨著網絡規模的擴大，路由器中路由表幾乎裝滿，影響轉發數據包的開銷進而影響整個網絡的性能。
(3)所有有效IP地址會最終分配完。因為分類方法的浪費以及有限數量的有效IP地址，如果仍然使用分類方法分配IP地址，整個公網IP地址將很快被耗盡。
2 無類域間路由與可變長子網掩碼技術
互聯網工程任務小組(IETF)引入了無類域間路由(CIDR)與可變長子網掩碼(VLSM)技術，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構，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掩碼的長度來實現的。IP地址是由子網掩碼將其分成網絡ID與主機ID，子網掩碼是用從左向右若干個連續“1”來控制IP地址的網絡ID，只要合理設計子網掩碼的構成，即子網掩碼左邊起連續“1”的個數，便可控制網絡的大小，這便是可變長子網掩碼技術的核心。
以一個標準的C類地址221.232.130.158(11011101.11101000.10000010.10011110)為例，其子網掩碼為255.255.255.0(11111111.11111111.11111111.00000000，從左向右連續24個1，右邊不足32位的全部用0填充，也可記作“/24”)，可計算出該地址對應的網絡ID為221.232.130.0，廣播地址為221.232.130.255，主機ID為158，與其在同一子網的主機ID范圍為1～254，該子網共有254個主機地址可用。
通過增加子網掩碼的長度，可以縮小網絡范圍，量體裁衣，減少地址的浪費。若要將IP地址221.232.130.158控制在8個IP地址(包括網絡地址與廣播地址)的網絡范圍內，則要將原有網絡256個地址，細分為32個網絡，子網掩碼須加長5個“1”(由2m=32，計算得m=5)，來控制網絡的大小，即設計子網掩碼為“/29”(11111111.11111111.11111111.11111000)，將IP地址與該子網掩碼“與”運算后，可得其網絡ID為221.232.130.152，不難推算出該網絡廣播地址為221.232.130.159，可用的6個主機ID范圍為153～158。一般將原有較大的網絡細分成多個“子網”，其目的有二：(1)ISP合理分配IP地址從而減少浪費;(2)控制Intranet中子網廣播范圍來保證網絡信號質量，同時也便于日常管理與維護。
也可以通過縮短子網掩碼的長度擴展網絡的容量。若要將IP地址221.232.130.158控制在500個左右IP地址的網絡范圍內，設計子網掩碼為“/23”(11111111.11111111.11111110.00000000，2n-2≥500，nmin=9，m=32-9=23)，將IP地址與該子網掩碼“與”運算后，可得其網絡ID為221.232.130.0，可用的512個IP地址范圍為：221.232.130.1至221.232.131.254。也可以認為是將221.232.130.0/24與221.232.131.0/24這兩個網絡匯聚成一個網絡，在路由器中只需要設置一條路由(ip route 221.232.130.0 0.0.1.255 x.x.x.x)即可將其連接到Internet中，這種將多個網絡匯聚成一個網絡形成的新網絡稱之為“超網”，其大多應用到路由設備的路由匯聚方案中。
3 結語
通過對無類域間路由與可變長子網掩碼技術的深入理解，我們可以靈活控制網段的大小，滿足實際網絡環境的需要。在Intranet網絡設計中，為優化路由設備的路由表，要盡可能匯聚路由，增加單條路由的容積，使設備和網絡性能達到最優，我們需要設計較大的網絡;同時為控制廣播信號，避免網絡“噪音”過大，我們又要將網絡設計得足夠小，盡可能多地設計子網，將不同類用戶分組到不同的VLAN中，提高網絡性能。當然，隨著Intranet中網絡設備的不斷更新，我們應規劃并有序推進IPv6方案，讓無類域間路由與可變長子網掩碼完成其技術使命，最終讓其隨IPv4成為歷史。
參考文獻
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