IPv4：超網(wǎng)，你是我的“神”

我們都學(xué)過(guò)把原本大網(wǎng)絡(luò)分成若干小網(wǎng)絡(luò)的劃分子網(wǎng)。但是大家可曾聽(tīng)說(shuō)過(guò)把原本數(shù)量眾多的小網(wǎng)絡(luò)匯聚成一個(gè)大網(wǎng)絡(luò)的超網(wǎng)嗎？

沒(méi)有錯(cuò)！我們今天的主角 —— 構(gòu)成超網(wǎng)，就是通過(guò)對(duì) IP 地址的原有格式進(jìn)行升級(jí)重組，進(jìn)而產(chǎn)生的一種更為神奇的組網(wǎng)方式。

究竟有多“神奇”呢？讓我們接著往下看

01、超網(wǎng)到底是什么東西？

構(gòu)成超網(wǎng)也稱(chēng) CIDR（Classless Inter-Domain Routing，無(wú)類(lèi)別域間路由選擇）。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它就是一種將多個(gè)同類(lèi) IP 地址聚合成一個(gè)”地址塊“的方法。超網(wǎng)的誕生使我們可以更加有效地分配 IPv4 地址空間。

超網(wǎng)的運(yùn)用可以使 IPv6 在大規(guī)模使用前容許互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模繼續(xù)增長(zhǎng)。

02、為什么要構(gòu)成超網(wǎng)？

在傳統(tǒng)的按照 IP 地址分類(lèi)的方法中，不管是哪一類(lèi)地址，網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)所占的長(zhǎng)度都是固定不變的，只要確定了這個(gè)地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，那就是固定長(zhǎng)度。

這種“頑固”的分類(lèi)方法不僅使用起來(lái)不太靈活，同時(shí)也直接導(dǎo)致了路由器在交換路由表時(shí)所產(chǎn)生信息的冗余。

因此采用路由聚合構(gòu)造超網(wǎng)，有利于減少路由器之間的路由選擇信息的交換，從而提高了整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的性能，避免路由信息的冗余。構(gòu)成超網(wǎng)在進(jìn)行一番聚合操作后，原本包含成千上萬(wàn)條轉(zhuǎn)發(fā)信息的路由表?yè)u身一變，“瘦”成了可能只有幾條路由表項(xiàng)的路由表 Mini。

03、超網(wǎng)是如何進(jìn)行聚合的？

接下來(lái)讓我們看個(gè)小例子，如下圖所示，在沒(méi)有進(jìn)行構(gòu)造超網(wǎng)之前，路由器每進(jìn)行一次路由信息交換，R2 就會(huì)收到 R1 更新的 5 條路由信息。

（此處省略十進(jìn)制與二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換關(guān)系，畢竟我們都是機(jī)智的通信人）

而構(gòu)成超網(wǎng)會(huì)把網(wǎng)絡(luò)前綴都相同的 IP 地址組成一個(gè)“CIDR 地址塊”，又稱(chēng)聚合地址塊。

將上圖的五條地址轉(zhuǎn)為二進(jìn)制后，我們發(fā)現(xiàn)它們的前 20 位都是相同的，于是乎，將這 20 位取出來(lái)作為地址塊中的共同前綴，而剩余的 12 位將默認(rèn)補(bǔ) 0 作為地址塊中的主機(jī)號(hào)。

這五條地址信息進(jìn)行聚合后，就形成了一個(gè) CIDR 地址塊：168.100.128.0/20。此時(shí)，R2 在接收 R1 的路由轉(zhuǎn)發(fā)表時(shí)，就只會(huì)收到一條 CIDR 地址信息了。

Tips

CIDR 還使用“斜線記法”，即在 IP 地址后面加上斜線“/”，然后寫(xiě)上網(wǎng)絡(luò)前綴所占的位數(shù)。

我們只要知道 CIDR 地址塊中的任何一個(gè)地址，再將地址中的主機(jī)號(hào)改成全 0 或全 1，就可以得到這個(gè)地址塊中的最小地址和最大地址，而最大地址和最小地址之間所包含的這一片連續(xù)的地址，都可以用這個(gè) CIDR 地址塊來(lái)表示。同時(shí)，根據(jù)地址塊中主機(jī)號(hào)的位數(shù) n，我們也可以得到這個(gè)地址塊中可以指派的地址數(shù)：2ⁿ-2。

Tips

“減 2”是因?yàn)橹鳈C(jī)號(hào)為全 0 和全 1 的兩個(gè)地址為特殊地址，一般不作為源地址或者目的地址使用。

聚合得出的 168.100.128.0/20，把它展開(kāi)成二進(jìn)制后，這個(gè)地址所在的地址塊中的最小地址和最大地址可以很方便地得出，如下表所示。

不難算出，這個(gè)地址塊中能夠包含 4096 個(gè)地址（4094 個(gè)可以指派的地址）。我們可以用地址塊中的最小地址和網(wǎng)絡(luò)前綴的位數(shù)指明這個(gè)地址塊。例如，上面的最小地址塊可記為 168.100.128.0/20。

我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，這個(gè)最小地址居然與前文提到的聚合地址時(shí)一模一樣的呀！

04、超網(wǎng)是如何進(jìn)行匹配的？

那既然提到了 CIDR 地址塊，就不能不提到與之相對(duì)應(yīng)的最長(zhǎng)前綴匹配機(jī)制。

這是因?yàn)槲覀冊(cè)诓檎衣酚杀眄?xiàng)進(jìn)行路由選擇時(shí)可能得到不止一個(gè)匹配結(jié)果。這樣就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：我們應(yīng)當(dāng)從這些匹配的結(jié)果中選擇哪一條路由呢？

直接公布正確答案：應(yīng)當(dāng)從匹配結(jié)果中選擇具有最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)前綴的路由。

當(dāng)路由器收到一個(gè) IP 數(shù)據(jù)包時(shí)，它會(huì)將數(shù)據(jù)包的目的 IP 地址與自己本地路由表中的所有路由表項(xiàng)分別進(jìn)行逐位對(duì)比，對(duì)比完畢后，選擇與之匹配度最長(zhǎng)的路由表項(xiàng)。

舉個(gè)例子：

假如本座 5 樓現(xiàn)在收到了一封 X 部門(mén)發(fā)往 Y 部門(mén)的郵件，已知 Y 部門(mén)的 IP 地址為：192.31.71.128，途經(jīng) 5 樓的一個(gè)路由器現(xiàn)有的路由表項(xiàng)信息分別為：192.31.71.0/26、192.31.68.0/22，那么該路由器在收到這封郵件后應(yīng)該發(fā)往哪個(gè)下一跳地址呢？

Tips

這里需要解釋的是，雖然 CIDR 不使用子網(wǎng)了，但由于目前仍有一些網(wǎng)絡(luò)還在使用子網(wǎng)劃分和子網(wǎng)掩碼，為了更方便地進(jìn)行路由選擇，CIDR 所使用的 32 位地址掩碼也可繼續(xù)稱(chēng)為子網(wǎng)掩碼。

例如，/20 地址塊的地址掩碼是：11111111 11111111 11110000 00000000 （20 個(gè)連續(xù)的 1）。斜線記法中，斜線后面的數(shù)字就是地址掩碼中 1 的個(gè)數(shù)。

將每一個(gè)路由表項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)掩碼與目的地址的二進(jìn)制展開(kāi)式兩兩進(jìn)行“邏輯與”運(yùn)算后再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制可得：192.31.71.0、192.31.68.0，運(yùn)算步驟如下圖所示：

我們發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)運(yùn)算后所得到的地址都與對(duì)應(yīng)路由表項(xiàng)相匹配，說(shuō)明表中兩條路由信息都可以作為下一跳地址進(jìn)行分配。

But！根據(jù)最長(zhǎng)前綴匹配機(jī)制，我們應(yīng)該選擇路由表項(xiàng) 1 所對(duì)應(yīng)的下一跳地址作為轉(zhuǎn)發(fā)地址，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)前綴越長(zhǎng)，地址塊越小，路由就越具體。

05、總結(jié)一下下~

CIDR 消除了傳統(tǒng)的 A，B，C 類(lèi)地址和劃分子網(wǎng)的概念，更有效地分配 IPv4 的地址空間，使 IP 地址從三級(jí)編址（網(wǎng)絡(luò)號(hào)，子網(wǎng)號(hào)，主機(jī)號(hào)）又回到無(wú)分類(lèi)的兩級(jí)編址，如下圖所示。

CIDR 還使用“斜線記法”，即在 IP 地址后面加上“/”然后指明網(wǎng)絡(luò)前綴所占的位數(shù)。CIDR 把網(wǎng)絡(luò)前綴都相同的連續(xù) IP 地址組成一個(gè)“CIDR 地址塊”，即構(gòu)成超網(wǎng)。

在使用 CIDR 時(shí)，在路由表中可能會(huì)有不止一個(gè)匹配結(jié)果，這時(shí)應(yīng)當(dāng)從所有匹配結(jié)果中選擇能夠匹配更長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)前綴的路由，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)前綴越長(zhǎng)，其地址塊就越小，所得路由就越具體。

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