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《协议森林》16.逆袭(CIDR与NAT)[转载]

逆袭 (CIDR与NAT)

IPv4由于最初的设计原因,长度只有32位,所以只提供了大约40亿个地址。这造成了IPv4地址的耗尽危机。随后,IPv6被设计出来,并可以提供足够多的IP地址。但是IPv4与IPv6并不兼容,IPv4向IPv6的迁移并不容易。一些技术,比如说这里要说的CIDR和NAT,相继推广。这些技术可以缓解IPv4的稀缺状态,成就了IPv4一时的逆袭。

CIDR

CIDR(Classless Inter Domain Routing)改进了传统的IPv4地址分类。传统的IP分类将IP地址直接对应为默认的分类,从而将Internet分割为网络。CIDR在路由表中增加了子网掩码(subnet masking),从而可以更细分网络。利用CIDR,我们可以灵活的将某个范围的IP地址分配给某个网络。

IP地址分类

在IP接力赛中,我提到,IP地址可以分为如下几类:

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

这是最初的IPv4地址分类设计。一个IPv4地址总共有32位,可以分为网络(network)和主机(host)两部分。子网掩码(subnet
mask)是用于表示哪些位代表了网络部分。比如如下subnet mask 255.0.0.0的二进制表示为:

11111111 00000000 00000000 00000000

它的前八位为1,所以表示IP地址的前八位为网络部分。而后面的24位代指该网络的各个主机。一个A类网络可以有224台主机,也就是16777216。由于IPv4地址已经分好了类,所以当我们拿到一个IP地址,我们就可以通过上面查到它的子网掩码。(B类,216;
C类,28)

传统路由表

IP分类的方便了IP包的接力。IP包到达某个路由器后,会根据该路由器的路由表(routing table),来决定接力的下一站。一个传统的路由表看起来是这样的:

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

该路由表代表的网络拓扑如下:

由于IP分类,我们不需要记录subnet
mask。当我们要前往199.165.146.17时,我们已经知道这台主机位于一个C类地址,所以它的子网掩码是255.255.255.0,也就是说199.165.146代表了网络,17代表了主机。

CIDR路由表

然而,由于默认分类,造成了网络只能按照A、B、C的方式存在。假设一个网络(比如MIT的网络)分配了一个A类地址,那么该网络将容许16777216个主机。如果该网络无法用完这些IP地址,这些IP地址将无法被其他网络使用。再比如上面的网络,199.165.145必须作为一个整个的网络存在。如果我们只有10台主机,那么将会有200多个IP地址被浪费。CIDR的本质是在路由表中加入子网掩码,并根据该列信息对网络进行分割,而不是根据默认的A,B,C进行分割。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

根据路由表的第一条记录,
199.165.145.254 (IP address) : 11000111 10100101 10010001 11111110
255.255.255.254 (subnet mask): 11111111 11111111 11111111 11111110 (31个1,1个0)

通过子网掩码可以知道,前31位表示网络,最后一位表示主机。子网掩码总是有连续多个1组成,比如上面的31个1。所以也可记为199.165.145.254/31,来同时表示IP地址和子网掩码。

这里也可以使用 ipcalc 命令快速计算:

$ ipcalc 199.165.145.254/31
Address:   199.165.145.254      11000111.10100101.10010001.1111111 0
Netmask:   255.255.255.254 = 31 11111111.11111111.11111111.1111111 0
Wildcard:  0.0.0.1              00000000.00000000.00000000.0000000 1
=>
Network:   199.165.145.254/31   11000111.10100101.10010001.1111111 0
HostMin:   199.165.145.254      11000111.10100101.10010001.1111111 0
HostMax:   199.165.145.255      11000111.10100101.10010001.1111111 1
Hosts/Net: 2                     Class C, PtP Link RFC 3021

路由器将原来的199.165.145网络中的一部分分割出来。这一网络可以容纳两台电脑,也就是199.165.145.254和199.165.145.255。这个网络对应网卡是eth2。当有IP包通向这两个IP地址时,会前往eth2,而不是eth0。

网络拓扑如下:

利用CIDR,我们可以将IP地址根据需要进行分割,从而不浪费IP地址。

NAT

CIDR虽然可以更加节约IP地址,但它并不能创造新的IP地址。IP地址的耗尽危机并不能因此得到解决。我们来看IPv4的第二袭,NAT(Network
Address Translation)。

理论上,每个IP地址代表了Internet上的一个设备。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地址只用于局域网内部。理论上,我们不应该在互联网上看到来自或者发往私有IP地址的IP包。与私有IP地址对应的是全球IP地址(global
IP address)。

NAT是为私有网络(private
network)服务的。该网络中的主机使用私有IP地址。当私有网络内部主机和外部Internet通信时,网关(gateway)路由器负责将私有IP地址转换为全球IP地址,这个地址转换过程就是Network
Address
Translation。网关路由器的NAT功能。最极端情况下,我们可以只分配一个全球IP地址给网关路由器,而私有网络中的设备都使用私有IP地址。由于私有IP地址可以在不同私有网络中重复使用,所以就大大减小了设备对IP地址的需求。

基础NAT

NAT的一种为基础NAT,也成为一对一(one-to-one)NAT。在基础NAT下,网关路由器一一转换一个外部IP地址和一个私有IP地址。网关路由器保存有IP的NAT对应关系,比如:

上面网络中,当有IP包要前往199.165.145.1时,网关路由器会将目的地改写为10.0.0.1,并接力给私有网络中的10.0.0.1的电脑。同样,当10.0.0.1的电脑向Internet发送IP包时,它的发送地为10.0.0.1。在到达网关路由器时,会将发送地更改为199.165.145.1。此外,IP头部的checksum,以及更高层协议(比如UDP和TCP)中的校验IP的checksum也会更改。

基础NAT尽管是一对一转换IP地址,它还是可以减小内部网络对IP地址的需求。通常来说,一个局域网中只有少数的设备处于开机状态,并不需要给每个设备对应一个全球IP地址。NAT可以动态的管理全球IP地址,并将全球IP地址对应到开机设备,从而减小内部网络对IP地址的需求。

NAPT

NAT还有一种,被成为NAPT (Network Address and Port
Translation)。在基础NAT中,高层协议的端口号并不会改动。NAPT下,IP地址和端口号可能同时改动。

我们在UDP和TCP中提到端口(port)的概念。在建立UDP或者TCP通信时,我们实际上是用IP:Port来代表通信的一端(正如打电话时主机:分机号一样)。NAPT就是在网关路由器处建立两个通信通道,一个通往内部网络,一个通往外部网络,然后将网关处的通道端口连接,从而让内部和外部通信。比如:

我们看到,通往IP 199.165.145.1建立了三个端口的连接:8888, 8889和8080。它们分别在NAPT处改为通往10.0.0.1:80,
10.0.0.1:8080和10.0.0.3:6000。NAPT记录有外部IP:端口和内部IP:端口的一一对应关系。在IP包经过时,网关路由器会更改IP地址,端口号以及相关的checksum。

利用NAPT我们可以使用一个(或者多个但少量的)外部IP和大量的端口号,来对应多个内部IP以及相应的端口号,从而大大减小了对全球IP地址的需求。

& NAPT:多重影分身术

无论是基础NAT还是NAPT,它们的设置都比较复杂,并且从本质上违背了互联网最初的设计理念。但由于IPv4的使用惯性,NAT还是被广泛推广。由于NAT所处的网关服务器是理想的设置防火墙的位置,NAT还往往和防火墙共同建设,以提高私有网络的安全性。

总结

即使是CIDR和NAT广泛使用,IPv4还是在不可避免的耗尽。IPv6正在加紧部署。但上述的两种技术,CIDR和NAT在IPv6中同样被采用,所以了解它们依然是有意义的。

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该日志由 sdnhub 于2015年04月24日发表在 网络原理 分类下,
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