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1、4.3.1 划分子网,1.从两级 IP 地址到三级 IP 地址 在 ARPANET 的早期，IP 地址的设计确实不 够合理IP 地址空间的利用率有时很低给每一个物理网络分配一个网络号会使路由表变得太大因而使网络性能变坏两级的 IP 地址不够灵活,4.3 划分子网和构造超网,从 1985 年起在 IP 地址中又增加了一个“子网号字段”，使两级的 IP 地址变成为三级的 IP 地址。这种做法叫作划分子网(subnetting)。划分子网已成为因特网的正式标准协议 RFC950。,三级 IP 地址,划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。从主机号借用若干个比特作为子网号
2、 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个比特。,划分子网的基本思路,IP地址:=,(6-2),凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，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。然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。最后就将 IP 数据报直接交付给目的主机。,划分子网的基本思路（续）,一个未划分子网的 B 类网络,划分为三个子网后对外仍是一个网络,路由器R1收到数据报后，再根据其目的地址转发到相应子网。,当没有划分子网时，IP 地址是两级结构
3、，地址的网络号字段也就是 IP 地址的“因特网部分”，而主机号字段是 IP 地址的“本地部分”。划分子网后 IP 地址就变成了三级结构。划分子网只是将 IP 地址的本地部分进行再划分，而不改变 IP 地址的因特网部分。,划分子网后变成了三级结构,从一个IP数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网的划分。使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分。,2.子网掩码,4.3.1 划分子网(续),IP 地址的各字段和子网掩码,(IP 地址)AND(子网掩码)=网络地址,A 类、B 类和 C 类 IP 地址的默认子网掩码,网络,不设子网的网络,网络,设
4、置子网的网络,子网地址,子网地址,E0,E1,172.16,2,160,网络,主机,.,.,网络,端口,E0E1,新路由表,子网,子网掩码,子网规划举例,Q:已分配了一个C类地址：，假设需要20个子网，每个子网有5台主机,试确定各子网地址和子网掩码。A:1）对C类地址，要从最后8位中分出几位作为子网地址：242025 选择5位作为子网地址，共可提供30个子网地址。2）检查剩余的位数能否满足每个子网中主机台数的要求：235+2 可以满足每子网5台主机的要求。3）11111000B=248 子网掩码为。4）子网地址可在8、16、24、32、240共30个地址中 任意选择20个。,子网划分举例,广播
5、地址可达范围举例,广播地址练习,地址,类别,子网,广播地址,201.222.10.60,子网掩码,15.16.193.6,128.16.32.13,153.50.6.27,广播地址练习（答案）,地址,类别,子网,广播地址,201.222.10.60,C,子网掩码,15.16.193.6,A,128.16.32.13,B,153.50.6.27,B,在不划分子网的两级 IP 地址下，从 IP 地址得出网络地址是个很简单的事。但在划分子网的情况下，从IP地址却不能惟一地得出网络地址来，这是因为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。使用子网划分后，路由表中的
6、每行所包括的主要内容是：目的网络地址、子网掩码、下一跳地址 因此分组转发的算法也必须做相应的改动。,4.3.2 使用子网掩码的分组转发过程,在划分子网的情况下路由器转发分组的算法,(1)从收到的分组的首部提取目的 IP 地址 D。(2)用路由器直连的各网络的子网掩码和 D 逐比特相“与”，看是否和相应的直连网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付。否则就是间接交付，执行(3)。(3)若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则将 分组传送给指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。(4)对路由表中的每一行的子网掩码和 D 逐比特相“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
7、下一跳路由器；否则，执行(5)。(5)若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表 中所指明的默认路由器；否则，执行(6)。(6)向源结点发送一个ICMP包报告转发分组出错。,划分子网后分组的转发举例,主机 H1 要发送分组给 H2,主机 H1 将分组的目的 IP 地址 与自己所在网络的子网掩码 逐比特相“与”(AND 操作)：,“与”运算结果不等于主机H1自己所在网络地址，由此IP地址128.30.33.138 的目的主机不在H1所在的子网中，所以须间接交付。,前图中子网地址的计算举例,IP地址子网掩码=该 IP地址的网络号,前图寻路过程祥析如下：,H1 首先检查目的主机 128.30.3
8、3.138 是否连接在H1自己直连的网络上。如果是，则直接交付；否则，就间接交付，送交路由器 R1。结果：不连接在自己直连的网上 H1 必须把分组间接交付、传送到路由器 R1，然后逐项查找路由表路由器 R1 收到分组后就用和路由表中第 1 个表项的子网掩码逐比特 AND 操作。结果：不匹配路由器 R1 再用和路由表中第 2 个表项的子网掩码逐比特 AND 操作。结果：匹配路由器R1断定第二个表项的网络(子网2)就是收到的分组所要寻找的目的网络，于是R1将分组从接口1直接交付给主机H2,划分子网在一定程度上缓解了因特网在发展中遇到的困难。然而当前因特网使用的寻址方案面临三个必须尽早解决的问题，这
9、就是：IPv4 A类地址已全部分完，B类只有极少数未 分配，C类地址也已所剩无几；因特网主干网路由器中的路由表项急剧增长(从几千个增长到几万个),导致查找速度变慢；按目前地址分配速度，2008 年左右会全部分 完，整个 IPv4 的地址空间最终将全部耗尽。,4.3.3 无分类编址 CIDR,1.网络前缀,1987 年，RFC 1009 就指明了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。使用变长子网掩码 VLSM(Variable Length Subnet Mask)可进一步提高 IP 地址资源的利用率。在 VLSM 的基础上又进一步研究出无分类编址方法，它的正式名字是无分类域间路由
10、选择 CIDR(Classless Inter-Domain Routing)。,IP 编址问题的演进,CIDR 消除了传统的 A 类、B 类和 C 类地址以及划分子网的概念，因而可以更加有效地分配 IPv4 的地址空间。CIDR使用各种长度的“网络前缀”(network-prefix)来代替分类地址中的网络号和子网号。IP 地址从三级编址（使用子网掩码）又回到了两级编址。,CIDR 最主要的特点,无分类的两级编址的记法是：CIDR 还使用“斜线记法”(slash notation)，它又称 为CIDR记法，即在IP地址后面加上一个斜线“/”，然后写上网络前缀所占的比特数（这个数值对应于 三级
11、编址中子网掩码中比特 1 的个数）。CIDR 将网络前缀都相同的连续的 IP 地址组成“CIDR地址块”。,IP地址:=,无分类的两级编址,CIDR 地址块,表示的地址块共有 212 个地址（因为斜线后面的 20 是网络前缀的比特数，所以主机号的比特数是 12）。在不需要指出地址块的起始地址时，也可将这样的地址块简称为“/20 地址块”。这个地址块起始地址是 0000.00000000，地址块的最小地址：地址块的最大地址：一般，地址块内全 0 和全 1 的地址不能分配给主机，分别表示该块的网络地址和广播地址。,表示的地址（212 个地址）：,10000000 00001110 00100000
12、 0000000010000000 00001110 00100000 0000000110000000 00001110 00100000 0000001010000000 00001110 00100000 0000001110000000 00001110 00100000 0000010010000000 00001110 00100000 0000010110000000 00001110 00111111 1111101110000000 00001110 00111111 1111110010000000 00001110 00111111 1111110110000000 00
13、001110 00111111 1111111010000000 00001110 00111111 11111111,所有地址的 20 bit前缀都是一样的,最小地址,最大地址,一个 CIDR 地址块可以表示很多地址，这种地址的聚合常称为路由聚合。用CIDR地址块后，可以使路由表中的表项大大减少，使得路由表中的一个项目可以表示很多个（例如上千个）原来传统分类地址的路由。路由聚合也称为构成超网(supernetting)。CIDR 虽然不使用子网了，但仍然使用“掩码”这一名词（但不叫子网掩码）。对于/20 地址块，它的掩码是 20 个连续的 1。斜线记法中的数字就是掩码中1的个数。,路由聚合(
14、route aggregation),CIDR 记法的其他形式,可简写为 10/10，也就是将点分十进制中低位连续的 0 省略。隐含地指出 IP 地址 10.0.0.0 的掩码是。此掩码可表示为 11111111 11 000000 00000000 00000000 网络前缀的后面加一个星号*的表示方法,如 00001010 00*，在星号*之前是网络前缀，而星号*表示 IP 地址中的主机号，可以是任意值。,255,192,0,0,掩码中有 10 个连续的 1,构成超网,前缀长度不超过 23 bit 的 CIDR 地址块都包含了多个 C 类地址。这些 C 类地址合起来就构成了超网。如地址块和
15、 就聚合成超网，而地址块、和 就聚合成超网。CIDR 地址块中的地址数一定是 2 的整数次幂。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。,CIDR 地址块全0和全1地址限制问题,需要注意的是：在早期的 RFC 950 文档规定中，网络划分为子网后，子网号全0和全1的地址不能分配给子网，这是为了避免网络与0号子网两者的网络地址相同而产生二义性问题、同时也避免了网络与全1子网两者的广播地址相同而产生的二义性问题，这个规定仍应遵守。但是，在无类别域间路由(CIDR)中用前缀表示地址块的范围，不存在子网号全0和全1的限制问题，如网络地址 和、广播地
16、址和无二义性问题；但地址块内全 0 和全 1 的地址仍然不能分配给主机，它们分别用于表示该地址块的网络地址和该地址块的广播地址。,CIDR 地址块划分举例,CIDR 地址块划分举例,2.最长前缀匹配,使用CIDR时，路由表中每个项目由“目的网络(网络前缀)”和“下一跳地址”组成。在查找路由表时可能会得到不止一个匹配结果，如欲转发目的地址 的信包时：应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由：最长前缀匹配(longest-prefix matching)。网络前缀越长，其地址块就越小，因而路由就越具体。最长前缀匹配又称为最长匹配或最佳匹配。,最长前缀匹配举例,最长前缀匹配举例,最长前缀匹配,D
17、AND(11111111 11111111 11111100 00000000)匹配D AND(11111111 11111111 11111111 10000000)匹配 选择两个匹配的地址中更具体的一个，即选择最长前缀的地址，应该选择后者。,3.使用二叉线索查找路由表,当路由表的项目数很大时，怎样设法减小路由表的查找时间就成为一个非常重要的问题。为了进行更加有效的查找，通常是将无分类编址的路由表存放在一种层次的数据结构中，然后自上而下地按层次进行查找。这里最常用的就是二叉线索(binary trie)。IP 地址中从左到右的比特值决定了从根结点逐层向下层延伸的路径，而二叉线索中的各个路径就代表路由表中存放的各个地址。为了提高二叉线索的查找速度，广泛使用了各种压缩技术。,
