【网络】- TCP/IP四层(五层)协议 - 网际层(网络层) - 划分子网、构造超网

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一、概述

前面的文章介绍了网络层的网际协议IP，介绍了IP地址的定义，知道了IP地址分为网络标识(网络地址)、主机标识(主机地址)两部分，也清楚了最初IP地址是按照分类被划分为A、B、C、D、E 五类。但是这样的分类却存在不合理的地方，这篇文章的内容之一就是要谈谈这些不合理的地方，以及解决的办法。首先，我们要清楚IP地址编制方法经历的三个阶段，本文也是根据这几个阶段去展开的。

• 分类的IP地址。最基本的编址方法，于 1981 年通过相应的标准协议。
• 子网的划分。对分类的IP地址进行改进，其标准 RFC950 在 1985 年通过。
• 构造超网。比较新的无分类编址方法，1993 年提出后很快就得到推广应用。

二、分类IP地址不合理的地方

第一，IP地址空间利用率有时很低。
A类地址网络可连接的主机数超过1000万个($2^{24}$-2)，而B类地址也有6万多个($2^{16}$-2)，C类地址却只有250多个($2^8$-2)。有些公司申请了B类地址，但又用不到那么多个，但是又不愿意申请数量太少的C类地址。这一就会导致IP地址的浪费，也会使IP地址空间的资源过早地被用完。

第二，使路由表变得太大，降低网络性能
路由器都需要从它的路由表去查询怎样达到其他网络的下一跳路由器。因此，互联网中网络数越多，路由器的路由表的项目数就越多。这不仅增加了路由器的成本(需要更多存储空间)，而且使查询路由表的时间延长，降低了网络性能。

第三，分类的IP地址不够灵活
分类的IP地址，在申请到一个新的IP之前，新增的网络是没法连接到互联网的。但现实中更多的情况是，一个单位能够随时灵活地增加本单位地网络，而不必事先到互联网管理机构去申请新的网络地址。

三、划分子网

1985年，在IP地址中增加了一个子网号字段，使二级地址变成了三级地址，能够很好解决分类地址不合理的问题，使用也更灵活。这种做法叫做划分子网(subnetting)[RFC 950]，划分子网已经称为互联网的正式标准。其基本思路如下：

• 划分子网纯属是单位内部的事情。一个拥有许多物理网络的单位，可将所属的物理网络划分为若干个子网。单位对外表现仍然是一个网络，单位以外的网络不知道这个单位由多少个子网组成。
• 划分子网的方法，是从IP地址的主机标识(主机地址)借用若干位作为子网号，借用后主机标识(主机地址)也减少同样位数，于是IP地址在本单位内部就变成三级IP地址：网络标识(网络地址)、子网号、主机标识(主机地址)，也可以用以下记法来标识；
  
• 其他网络发给本单位某主机的IP数据报，仍然是根据IP数据报的目的网络地址找到连接在本网络上的路由器，路由器再根据目的网络地址和子网号找到目的子网，最后讲IP数据报交付到目的主机。

🌰举例子
假设现在某个单位申请到一个B类地址，它的网络标识(网络地址)是145.13.0.0，也就只要是目的地址为145.13.x.x的IP数据报都会被送到这个单位的路由器。现在这个单位想划分三个子网：

• 假设从主机标识拿出8位来做子网号，子网号分别为3、7、21，则三个子网分别为：145.13.3.0、145.13.7.0、145.13.21.0；
• 划分后，网络对外的网络地址仍旧是145.13.0.0，但路由器收到IP数据报后，再按照IP数据报的目的地址转发到对应子网。
  

子网掩码
上面的例子中，虽然内部划分了子网，但路由器并不知道内部划分了三个子网，怎么把IP数据报转发到对应子网的呢？
答案是使用 子网掩码，子网掩码用二进制方式表示的话， 也是一个32位的数字。虽然RFC文档中并没有规定必须使用连续的1，但还是极力推荐使用连续的 1 ，以免出现可能的差错。
子网掩码 与 收到的数据报的目的IP地址进行逐位的 与运算，就可能得出对应的子网。假设目的IP地址位145.13.3.10，路由器的子网掩码位255.255.255.0，将 目的IP 与 子网掩码 逐个进行 与运算，可以得到子网的网络地址：145.13.3.0。

默认子网掩码：网络没划分子网，则会提供一个默认的子网掩码，默认的子网掩码与IP地址的网络标识正好对应：

• A类地址默认子网掩码：255.0.0.0
• B类地址默认子网掩码：255.255.0.0
• C类地址默认子网掩码：255.255.255.0

四、无分类编址方法

划分子网在一定程度上缓解了互联网在发展中遇到地困难，但B类地址在1992年已经分配了一半了，眼看很快就要全部分配完毕，而且互联网主干网上地路由表中地项目数急剧增长（从几千个增长到几万个）。预计这两个问题在1994年将变得非常严重，因此，IETF很快就研究出 无分类编址 来解决这两个问题。

可变长子网掩码 VLSM(Variable Length Subnet Mask)，早在1987年，RFC1009 就指明在一个划分子网的网络中可同时使用几个不同的子网掩码。使用VLSM可以进一步IP地址的资源利用率。在 VLSM 的基础又研究出 无分类编址 方法，正式名称是 无分类域间路由选择 CIDR(Classless Inter-Domain Routing，CIDR 的读音是sider)。
CIDR 的两个主要特点：

• 消除了A类、B类、C类地址以及划分子网的概念，可以更有效地分配 IPv4 的地址空间。把32位的IP地址分为两部分，前面部分位 网络前缀，用来指明网络，后面部分指明主机。
  CIDR 还使用 斜线记法，或称为 CIDR记法，在IP地址后面加上斜线 / ，然后再写上网络前缀所占的位数，如：145.13.3.10/24
  
• CIDR 把网络前缀都相同的连续的IP地址组成一个 CIDR地址块，只要知道这个地址块中的任何一个地址，就可以知道整个地址块的起始地址、最大地址 以及 地址块的地址个数。主机号全0或全1的一般不使用。路由表中就利用 CIDR 地址块来查询目的网络。

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参考资料：
《计算机网络》第7版 - 第四章 谢希仁 编著
《图解TCP/IP》第5版

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