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无类域间路由与可变长子网掩码技术探究
摘 要：在当前IPv4向IPv6过渡的阶段，由于软硬件技术的更新限制，IPv4仍占据较为重要的地位，IPv4的无类域间路由与可变长子网掩码技术仍在网络中广泛应用，IPv4中很好地利用了NAT(网络地址转换)技术与私有地址相结合缓解了地址不足的矛盾，同时在IP地址分配过程中无类域间路由与可变长子网掩码技术也功不可没。该文通过对其技术的剖析，帮助爱好者在实际网络规划中合理掌控网络大小。
关键字：IPv4 无类域间路由 CIDR 子网掩码 VLSM
随着网络技术的发展，IPv4将逐步向IPv6过渡，但由于软硬件的更新对于生厂商与用户来说都需要一个过程，目前国内网络中IPv4仍占据较为重要的地位。互联网地址分配机构(IANA)已将IPv4的全部地址段分配完毕，已无地址可分，现今的网络中ISP(Internet服务提供商)需统筹利用自己所掌握的IP地址，调整不合理的IP使用方案，给需要地址的用户提供服务。IPv4中很好地利用了NAT(网络地址转换)技术与私有地址相结合缓解了地址不足的矛盾，同时在IP地址分配过程中无类域间路由与可变长子网掩码技术也功不可没。
1 IPv4基本概念及类地址应用局限性
1.1 IP地址与子网掩码
Internet中使用的网络协议是TCP/IP协议，其中网络层协议为IP(Internet Protocol)协议，在IP(第4版)报文中表示报文来源的原地址和发往目的地的目标地址均为32为二进制地址，网络中习惯将32位二进制数组成的地址称为IP地址。IP地址由网络标识号(网络ID)与主机标识号(主机ID)组成，这样IP地址就可以用来识别某一台主机，而且还隐含着该主机网际间的路径信息。负责将IP地址划分成网络ID与主机ID的掩码称为子网掩码。子网掩码也是一个32位二进制地址，它的原码与IP地址原码做“与”运算，可得到网络ID，除去网络ID，剩余部分就是主机ID。有了IP地址和子网掩码，计算机和网络设备中的操作系统就可以正确地识别IP报文并作相应的处理。
1.2 IPv4中类地址应用的局限性
Internet委员会将IPv4分为A、B、C、D、E五类IP地址以适合不同容量的网络。其中A、B、C三类由IANA在全球范围内统一分配，D、E类为特殊地址。A类地址可标识126个网络，每个网络中可容纳16 777 214个主机;B类地址可标识16 382个网络，每个网络中可容纳65 534个主机;C类地址可标识2 097 150个网络，每个网络中可容纳254个主机。在早期分配过程中，规定只允许按类地址的网络号为最小单位将整个A或B或C类地址分给集团用户，这种IP地址分类的分配方案涉及三个方面的局限性。
(1)类地址划分方法造成IP地址的浪费。如一个组织最多有2 000台主机的中等大小的网络，分配一个B类地址(65 534个)就会有63 534个宝贵的IP地址资源浪费。
(2)Internet路由表几乎装满。为尽可能减少IP地址资源的浪费，也可以考虑分配多个C类地址的方案，如给该2 000台主机的组织分配8个较小的C类网络，每个C网可容纳254台主机，共分配了2 032个IP地址。这种解决方案虽然减少了IP地址的浪费，但为解决该组织的8个C网与Internet互联，要在Internet每个路由器中都写入8条路由来保障有关数据包的转发，增加了Internet路由表信息量。随着网络规模的扩大，路由器中路由表几乎装满，影响转发数据包的开销进而影响整个网络的性能。
(3)所有有效IP地址会最终分配完。因为分类方法的浪费以及有限数量的有效IP地址，如果仍然使用分类方法分配IP地址，整个公网IP地址将很快被耗尽。
2 无类域间路由与可变长子网掩码技术
互联网工程任务小组(IETF)引入了无类域间路由(CIDR)与可变长子网掩码(VLSM)技术，解决IPv4中类地址划分的局限性。无类域间路由的基本思想是取消地址的分类结构，IP地址之间不再有类型差别，即不再有A、B、C类地址之分，它是通过灵活改变子网掩码的长度来实现的。IP地址是由子网掩码将其分成网络ID与主机ID，子网掩码是用从左向右若干个连续“1”来控制IP地址的网络ID，只要合理设计子网掩码的构成，即子网掩码左边起连续“1”的个数，便可控制网络的大小，这便是可变长子网掩码技术的核心。
以一个标准的C类地址221.232.130.158(11011101.11101000.10000010.10011110)为例，其子网掩码为255.255.255.0(11111111.11111111.11111111.00000000，从左向右连续24个1，右边不足32位的全部用0填充，也可记作“/24”)，可计算出该地址对应的网络ID为221.232.130.0，广播地址为221.232.130.255，主机ID为158，与其在同一子网的主机ID范围为1～254，该子网共有254个主机地址可用。
通过增加子网掩码的长度，可以缩小网络范围，量体裁衣，减少地址的浪费。若要将IP地址221.232.130.158控制在8个IP地址(包括网络地址与广播地址)的网络范围内，则要将原有网络256个地址，细分为32个网络，子网掩码须加长5个“1”(由2m=32，计算得m=5)，来控制网络的大小，即设计子网掩码为“/29”(11111111.11111111.11111111.11111000)，将IP地址与该子网掩码“与”运算后，可得其网络ID为221.232.130.152，不难推算出该网络广播地址为221.232.130.159，可用的6个主机ID范围为153～158。一般将原有较大的网络细分成多个“子网”，其目的有二：(1)ISP合理分配IP地址从而减少浪费;(2)控制Intranet中子网广播范围来保证网络信号质量，同时也便于日常管理与维护。
也可以通过缩短子网掩码的长度扩展网络的容量。若要将IP地址221.232.130.158控制在500个左右IP地址的网络范围内，设计子网掩码为“/23”(11111111.11111111.11111110.00000000，2n-2≥500，nmin=9，m=32-9=23)，将IP地址与该子网掩码“与”运算后，可得其网络ID为221.232.130.0，可用的512个IP地址范围为：221.232.130.1至221.232.131.254。也可以认为是将221.232.130.0/24与221.232.131.0/24这两个网络汇聚成一个网络，在路由器中只需要设置一条路由(ip route 221.232.130.0 0.0.1.255 x.x.x.x)即可将其连接到Internet中，这种将多个网络汇聚成一个网络形成的新网络称之为“超网”，其大多应用到路由设备的路由汇聚方案中。
3 结语
通过对无类域间路由与可变长子网掩码技术的深入理解，我们可以灵活控制网段的大小，满足实际网络环境的需要。在Intranet网络设计中，为优化路由设备的路由表，要尽可能汇聚路由，增加单条路由的容积，使设备和网络性能达到最优，我们需要设计较大的网络;同时为控制广播信号，避免网络“噪音”过大，我们又要将网络设计得足够小，尽可能多地设计子网，将不同类用户分组到不同的VLAN中，提高网络性能。当然，随着Intranet中网络设备的不断更新，我们应规划并有序推进IPv6方案，让无类域间路由与可变长子网掩码完成其技术使命，最终让其随IPv4成为历史。
参考文献
[1] 陈智.计算机网络基础教程[M].北京：中国电力出版社，2005.
[2] 刘新茂.可变长子网划分技术及原理[J].中国教育网络，2007(9).
[3] 谢希仁.计算机网络[M].第5版.北京：电子工业出版社，2008.
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