協(xié)議森林14 逆襲 (CIDR與NAT)

dehaoluo 2016-03-30

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作者：Vamei 出處：http://www.cnblogs.com/vamei 歡迎轉載，也請保留這段聲明。謝謝！

IPv4由于最初的設計原因，長度只有32位，所以只提供了大約40億個地址。這造成了IPv4地址的耗盡危機。隨后，IPv6被設計出來，并可以提供足夠多的IP地址。但是IPv4與IPv6并不兼容，IPv4向IPv6的遷移并不容易。一些技術，比如說這里要說的CIDR和NAT，相繼推廣。這些技術可以緩解IPv4的稀缺狀態(tài)，成就了IPv4一時的逆襲。

CIDR

CIDR(Classless Inter Domain Routing)改進了傳統(tǒng)的IPv4地址分類。傳統(tǒng)的IP分類將IP地址直接對應為默認的分類，從而將Internet分割為網(wǎng)絡。CIDR在路由表中增加了子網(wǎng)掩碼(subnet masking)，從而可以更細分網(wǎng)絡。利用CIDR，我們可以靈活的將某個范圍的IP地址分配給某個網(wǎng)絡。

1) IP地址分類

在IP接力賽中，我提到，IP地址可以分為如下幾類：

IP class From To Subnet Mask

A 1.0.0.0 126.255.255.255 255.0.0.0

B 128.0.0.0 191.255.255.255 255.255.0.0

C 192.0.0.0 223.255.255.255 255.255.255.0

這是最初的IPv4地址分類設計。一個IPv4地址總共有32位，可以分為網(wǎng)絡(network)和主機(host)兩部分。子網(wǎng)掩碼(subnet mask)是用于表示哪些位代表了網(wǎng)絡部分。比如如下subnet mask 255.0.0.0的二進制表示為：

11111111 00000000 00000000 00000000

它的前八位為1，所以表示IP地址的前八位為網(wǎng)絡部分。而后面的24位代指該網(wǎng)絡的各個主機。一個A類網(wǎng)絡可以有2²⁴臺主機，也就是16777216。由于IPv4地址已經(jīng)分好了類，所以當我們拿到一個IP地址，我們就可以通過上面查到它的子網(wǎng)掩碼。(B類，2¹⁶; C類，2⁸)

2) 傳統(tǒng)路由表

IP分類的方便了IP包的接力。IP包到達某個路由器后，會根據(jù)該路由器的路由表(routing table)，來決定接力的下一站。一個傳統(tǒng)的路由表看起來是這樣的：

Destination Gateway Iface

199.165.145.0 0.0.0.0 eth0

199.165.146.0 0.0.0.0 eth1

0.0.0.0 199.165.146.8 eth1

該路由表代表的網(wǎng)絡拓撲如下：

由于IP分類，我們不需要記錄subnet mask。當我們要前往199.165.146.17時，我們已經(jīng)知道這臺主機位于一個C類地址，所以它的子網(wǎng)掩碼是255.255.255.0，也就是說199.165.146代表了網(wǎng)絡，17代表了主機。

3) CIDR路由表

然而，由于默認分類，造成了網(wǎng)絡只能按照A、B、C的方式存在。假設一個網(wǎng)絡(比如MIT的網(wǎng)絡)分配了一個A類地址，那么該網(wǎng)絡將容許16777216個主機。如果該網(wǎng)絡無法用完這些IP地址，這些IP地址將無法被其他網(wǎng)絡使用。再比如上面的網(wǎng)絡，199.165.145必須作為一個整個的網(wǎng)絡存在。如果我們只有10臺主機，那么將會有200多個IP地址被浪費。CIDR的本質是在路由表中加入子網(wǎng)掩碼，并根據(jù)該列信息對網(wǎng)絡進行分割，而不是根據(jù)默認的A，B，C進行分割。比如：

Destination Gateway Genmask Iface

199.165.145.254 0.0.0.0 255.255.255.254 eth2

199.165.145.0 0.0.0.0 255.255.255.0 eth0

199.165.146.0 0.0.0.0 255.255.255.0 eth1

0.0.0.0 199.165.146.8 0.0.0.0 eth1

根據(jù)路由表的第一條記錄，

199.165.145.254 (IP address) : 11000111 10100101 10010001 11111110

255.255.255.254 (subnet mask): 11111111 11111111 11111111 11111110 (31個1，1個0)

通過子網(wǎng)掩碼可以知道，前31位表示網(wǎng)絡，最后一位表示主機。子網(wǎng)掩碼總是有連續(xù)多個1組成，比如上面的31個1。所以也可記為199.165.145.254/31，來同時表示IP地址和子網(wǎng)掩碼。

路由器將原來的199.165.145網(wǎng)絡中的一部分分割出來。這一網(wǎng)絡可以容納兩臺電腦，也就是199.165.145.254和199.165.145.255。這個網(wǎng)絡對應網(wǎng)卡是eth2。當有IP包通向這兩個IP地址時，會前往eth2，而不是eth0。

網(wǎng)絡拓撲如下：

利用CIDR，我們可以將IP地址根據(jù)需要進行分割，從而不浪費IP地址。

NAT

CIDR雖然可以更加節(jié)約IP地址，但它并不能創(chuàng)造新的IP地址。IP地址的耗盡危機并不能因此得到解決。我們來看IPv4的第二襲，NAT(Network Address Translation)。

理論上，每個IP地址代表了Internet上的一個設備。但有一些IP地址被保留，用于一些特殊用途。下面三段IP地址被保留用作私有IP地址：

From To

10.0.0.0 10.255.255.255

172.16.0.0 172.31.255.255

192.168.0.0 192.168.255.255

私有IP地址只用于局域網(wǎng)內部。理論上，我們不應該在互聯(lián)網(wǎng)上看到來自或者發(fā)往私有IP地址的IP包。與私有IP地址對應的是全球IP地址(global IP address)。

NAT是為私有網(wǎng)絡(private network)服務的。該網(wǎng)絡中的主機使用私有IP地址。當私有網(wǎng)絡內部主機和外部Internet通信時，網(wǎng)關(gateway)路由器負責將私有IP地址轉換為全球IP地址，這個地址轉換過程就是Network Address Translation。網(wǎng)關路由器的NAT功能。最極端情況下，我們可以只分配一個全球IP地址給網(wǎng)關路由器，而私有網(wǎng)絡中的設備都使用私有IP地址。由于私有IP地址可以在不同私有網(wǎng)絡中重復使用，所以就大大減小了設備對IP地址的需求。

1) 基礎NAT

NAT的一種為基礎NAT，也成為一對一(one-to-one)NAT。在基礎NAT下，網(wǎng)關路由器一一轉換一個外部IP地址和一個私有IP地址。網(wǎng)關路由器保存有IP的NAT對應關系，比如：

上面網(wǎng)絡中，當有IP包要前往199.165.145.1時，網(wǎng)關路由器會將目的地改寫為10.0.0.1，并接力給私有網(wǎng)絡中的10.0.0.1的電腦。同樣，當10.0.0.1的電腦向Internet發(fā)送IP包時，它的發(fā)送地為10.0.0.1。在到達網(wǎng)關路由器時，會將發(fā)送地更改為199.165.145.1。此外，IP頭部的checksum，以及更高層協(xié)議(比如UDP和TCP)中的校驗IP的checksum也會更改。

基礎NAT盡管是一對一轉換IP地址，它還是可以減小內部網(wǎng)絡對IP地址的需求。通常來說，一個局域網(wǎng)中只有少數(shù)的設備處于開機狀態(tài)，并不需要給每個設備對應一個全球IP地址。NAT可以動態(tài)的管理全球IP地址，并將全球IP地址對應到開機設備，從而減小內部網(wǎng)絡對IP地址的需求。

2) NAPT

NAT還有一種，被成為NAPT (Network Address and Port Translation)。在基礎NAT中，高層協(xié)議的端口號并不會改動。NAPT下，IP地址和端口號可能同時改動。

我們在UDP和TCP中提到端口(port)的概念。在建立UDP或者TCP通信時，我們實際上是用IP:Port來代表通信的一端(正如打電話時主機:分機號一樣)。NAPT就是在網(wǎng)關路由器處建立兩個通信通道，一個通往內部網(wǎng)絡，一個通往外部網(wǎng)絡，然后將網(wǎng)關處的通道端口連接，從而讓內部和外部通信。比如：

我們看到，通往IP 199.165.145.1建立了三個端口的連接：8888, 8889和8080。它們分別在NAPT處改為通往10.0.0.1:80, 10.0.0.1:8080和10.0.0.3:6000。NAPT記錄有外部IP:端口和內部IP:端口的一一對應關系。在IP包經(jīng)過時，網(wǎng)關路由器會更改IP地址，端口號以及相關的checksum。

利用NAPT我們可以使用一個(或者多個但少量的)外部IP和大量的端口號，來對應多個內部IP以及相應的端口號，從而大大減小了對全球IP地址的需求。