划分子网和构造超网

发表于 2023-10-28 更新于 2025-12-05 分类于 Study 阅读次数：本文字数： 2.3k 阅读时长 ≈ 8 分钟

划分子网和构造超网

划分子网

分类IP地址存在的问题

IP地址设计初衷：希望网络部分能唯一明确确定一个物理网络
早期的、分类的IP地址设计不够合理
- IP地址的利用率低
  - 一个A类网络可包含的主机数：\(2^{24}– 2= 16,777,214\)
  - 一个B类网络可包含的主机数：\(2^{16} – 2= 65534\)
  - 一个C类网络可包含的主机数：\(2^8 – 2= 254\)
- 无法根据网络规模灵活选择网络地址
  - 4个结点的网络使用一个完整的C类地址，浪费252个IP地址
  - 1个10BaseT以太网最大结点数1024，得用一个B类地址，浪费6万多个IP地址
- 分配的是网络号而不是40亿个独立的IP地址，耗尽的速度快
  - 126个 \((2^7 – 2)\)A类网络号分配完，就用尽了一半的IP地址，20亿
  - 16,383个\((2^{14} – 1)\)B类网络号分配完，就用尽了1/4的IP地址，10亿
- 网络号和主机号位数固定，导致网络规模不可调，造成分配的不合理
- 每个物理网络分配一个网络号使得路由表过大
  - 为每一个网络号增加一条目
  - 大转发表增加路由器开销，增大路由查找延迟，减低路由器性能
- 使用不灵活
  - 同一组织在不同地方开通新的物理网络，需要申请新的网络地址
  - 不易于扩展、管理

基本思路

二级的IP地址变成为三级：IP地址中又增加一个“子网号字段”
- 从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-id，不改变原来的网络号net-id
- IP地址 = 网络号 + 子网号 + 主机号
实现多个物理网络共享一个网络号
- 减少分配网络号总数
- 路由聚合 (aggregation)
子网应当离得很近，从因特网其余部分看来，它们是一个单一网络，仅一个网络号
- 划分子网纯属一个机构内部的事情，对外仍表现为未划分子网的网络
- IP 数据报从其它网络到子网内某主机的路由
  - 仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器
  - 然后，此路由器再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网
  - 最后将 IP 数据报直接交付目的主机
子网掩码
- 子网的网络地址 = 三级IP地址 AND 子网掩码
- 默认子网掩码：为便于路由器处理，未划分子网的网络也使用子网掩码 (即默认子网掩码)
  - A类地址：255.0.0.0（8位网络号）
  - B类地址：255.255.0.0（16位网络号）
  - C类地址：255.255.255.0（24位网络号）
划分子网的借位原则
- RFC950规定子网号不能为全1和全0，因此至少借2位
- 最多借位数（至少留2位主机号）
  - A类地址：22位
  - B类地址：14位
  - C类地址：6位
路由器FIB表的变化
- 在不划分子网的两级 IP 地址下
  - 可从 IP 地址得出网络地址
- 在划分子网的情况下
  - 从 IP 地址不能唯一地得出网络地址来，网络地址取决于那个网络所采用的子网掩码，但数据报的首部并没有提供子网掩码的信息
  - 在FIB表中添加子网掩码

划分子网情况下路由器转发分组的算法

从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D
用本结点的各个网络的子网掩码与D逐位相与，看是否与相应的网络地址匹配：匹配，则将分组直接交付；否则是间接交付，执行 3
若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所指明的下一跳路由器；否则，执行 4
对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐位相与，若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行指明的下一跳路由器；否则，执行 5
若路由表中有一个默认路由，则把数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，执行 6
报告转发分组出错（ICMP，目的不可达）

例子

主机H1检查目标地址 128.30.33.138是否连接在本网络上
- 是，则直接交付
- 否，交由路由器R1处理
将目的地址与自己的子网掩码逐位相与
- 128.30.33.128 AND 255.255.255.128 = 128.30.33.128
- 128.30.33.128 不在 128.30.33.0 子网中，因此交由路由器 R1处理
路由器R1查询跳转表
- 发现目标地址128.30.33.128 下一跳为接口1，直接交付

子网划分的特点

本质上，允许将一些类别的地址在多个子网内分拆
实现多个物理网络共用一个网络地址
- 减少地址空间的浪费
互联网络不同部分看到不同的路由，远端只看到单一网络
- 实现路由聚合
子网划分在一个(逻辑)网络内部进行
- 便于组织内部网络扩展与管理

构造超网

地址空间的效率和可扩展性问题

某公司网络由4064台主机构成

方案一：申请一个B类地址？
- 一个B类地址空间可容纳65534个主机，使用率仅4064/65534 = 6.2%
- 子网划分？依然未解决地址浪费问题
方案二：分配16个C类地址？
- 保证了地址利用率
- 路由器超量存储
  - 若一个站点分配了16个C类网络号，则每个主干路由器需要增加16条记录才能将分组传送到该站点，尽管路径是相同的
- 如果16个C类地址连续分配
  - 所有地址的高20位是相同的
  - 将20位作为网络号，路由表中仅需要一个路由表项

无分类域间路由 CIDR

无分类域间路由 CIDR (Classless Inter-Domain Routing)
- 打破地址分类的严格界线，网络号为可变长---更有效地分配 IPv4 地址空间
- 仅仅使用转发表中的一条记录来指示如何到达多个不同网络 ---- 路由聚合
从(使用子网掩码)三级编址又回到了无分类的两级编址
- IP地址 = 网络前缀(network prefix) + 主机号
  - 使用各种长度的network-prefix来代替分类地址中的网络号和子网号
- 使用“斜线记法”(slash notation)，又称为CIDR记法
  - 即在 IP 地址后面加上一个斜线“/”，写上网络前缀所占的位数（这个数值对应于三级编址中子网掩码中 1 的个数）
- 把网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR 地址块”

CIDR地址块

193.14.32.0/20 表示的地址块共有 212 个地址
- 网络前缀20位，主机号 12 位
- 地址块范围：193.14.32.0 ~ 193.14.47.255

路由聚合，构成超网

路由聚合
- CIDR 地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合称为路由聚合
- 使得路由表中的一个条目可以表示很多个(例如上千个)原来传统分类地址的路由
构成超网（supernetting）
- 如：前缀长度13_{15的CIDR地址块可能包含了多个B类或C类地址；前缀长度17}23 位的 CIDR 地址块都包含了多个 C 类地址
  - 这些地址合起来就构成了超网
- 网络前缀越短，其地址块所包含的地址数就越多；而在三级结构的IP地址中，划分子网是使网络前缀变长
  - 超网是将多个网络聚合：使属于一个自治系统（AS）多个网络地址映射到一个地址
  - 子网是将一个(逻辑)网络拆分：使多个物理网络共享一个网络地址

最长前缀匹配

使用 CIDR ，在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果
解决方案：最长前缀匹配(longest-prefix matching)
- 又称为最长匹配或最佳匹配
- 从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由
  - 网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体(more specific)

最长前缀匹配的路由查找效率

最简单的查找算法：对所有可能的前缀进行循环查找
- 对于目的地址D，对每个可能的前缀长度M (1~32, 32为特定主机路由 )
  - 提取D中的前M位，与路由表中的网络号匹配
  - 最坏情况32次
- 提高路由查找效率
  - 线速100Gb/s，分组平均长度2000bits
    - 路由器处理能力应达到5000万分组/秒(50Mpps)
  - 通过良好的数据结构、快速查找算法