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

IPv4由于最初的設(shè)計(jì)原因，長度只有32位，所以只提供了大約40億個(gè)地址。這造成了IPv4地址的耗盡危機(jī)。隨后，IPv6被設(shè)計(jì)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(shù)，比如說這里要說的CIDR和NAT，相繼推廣。這些技術(shù)可以緩解IPv4的稀缺狀態(tài)，成就了IPv4一時(shí)的逆襲。

CIDR

CIDR(Classless Inter Domain Routing)改進(jìn)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(yīng)為默認(rèn)的分類，從而將Internet分割為網(wǎng)絡(luò)。CIDR在路由表中增加了子網(wǎng)掩碼(subnet masking)，從而可以更細(xì)分網(wǎng)絡(luò)。利用CIDR，我們可以靈活的將某個(gè)范圍的IP地址分配給某個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

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(shè)計(jì)。一個(gè)IPv4地址總共有32位，可以分為網(wǎng)絡(luò)(network)和主機(jī)(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(luò)部分。比如如下subnet mask 255.0.0.0的二進(jìn)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(luò)部分。而后面的24位代指該網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)主機(jī)。一個(gè)A類網(wǎng)絡(luò)可以有2²⁴臺(tái)主機(jī)，也就是16777216。由于IPv4地址已經(jīng)分好了類，所以當(dāng)我們拿到一個(gè)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(dá)某個(gè)路由器后，會(huì)根據(jù)該路由器的路由表(routing table)，來決定接力的下一站。一個(gè)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(luò)拓?fù)淙缦拢?/span>

由于IP分類，我們不需要記錄subnet mask。當(dāng)我們要前往199.165.146.17時(shí)，我們已經(jīng)知道這臺(tái)主機(jī)位于一個(gè)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(luò)，17代表了主機(jī)。

3) CIDR路由表

然而，由于默認(rèn)分類，造成了網(wǎng)絡(luò)只能按照A、B、C的方式存在。假設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)(比如MIT的網(wǎng)絡(luò))分配了一個(gè)A類地址，那么該網(wǎng)絡(luò)將容許16777216個(gè)主機(jī)。如果該網(wǎng)絡(luò)無法用完這些IP地址，這些IP地址將無法被其他網(wǎng)絡(luò)使用。再比如上面的網(wǎng)絡(luò)，199.165.145必須作為一個(gè)整個(gè)的網(wǎng)絡(luò)存在。如果我們只有10臺(tái)主機(jī)，那么將會(huì)有200多個(gè)IP地址被浪費(fèi)。CIDR的本質(zhì)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(luò)進(jìn)行分割，而不是根據(jù)默認(rèn)的A，B，C進(jìn)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(gè)1，1個(gè)0)

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

路由器將原來的199.165.145網(wǎng)絡(luò)中的一部分分割出來。這一網(wǎng)絡(luò)可以容納兩臺(tái)電腦，也就是199.165.145.254和199.165.145.255。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)網(wǎng)卡是eth2。當(dāng)有IP包通向這兩個(gè)IP地址時(shí)，會(huì)前往eth2，而不是eth0。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缦拢?/span>

利用CIDR，我們可以將IP地址根據(jù)需要進(jìn)行分割，從而不浪費(fèi)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(jī)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(gè)IP地址代表了Internet上的一個(gè)設(shè)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(nèi)部。理論上，我們不應(yīng)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(yīng)的是全球IP地址(global IP address)。

NAT是為私有網(wǎng)絡(luò)(private network)服務(wù)的。該網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)使用私有IP地址。當(dāng)私有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部主機(jī)和外部Internet通信時(shí)，網(wǎng)關(guān)(gateway)路由器負(fù)責(zé)將私有IP地址轉(zhuǎn)換為全球IP地址，這個(gè)地址轉(zhuǎn)換過程就是Network Address Translation。網(wǎng)關(guān)路由器的NAT功能。最極端情況下，我們可以只分配一個(gè)全球IP地址給網(wǎng)關(guān)路由器，而私有網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)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(luò)中重復(fù)使用，所以就大大減小了設(shè)備對IP地址的需求。

1) 基礎(chǔ)NAT

NAT的一種為基礎(chǔ)NAT，也成為一對一(one-to-one)NAT。在基礎(chǔ)NAT下，網(wǎng)關(guān)路由器一一轉(zhuǎn)換一個(gè)外部IP地址和一個(gè)私有IP地址。網(wǎng)關(guān)路由器保存有IP的NAT對應(yīng)關(guān)系，比如：

上面網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)有IP包要前往199.165.145.1時(shí)，網(wǎng)關(guān)路由器會(huì)將目的地改寫為10.0.0.1，并接力給私有網(wǎng)絡(luò)中的10.0.0.1的電腦。同樣，當(dāng)10.0.0.1的電腦向Internet發(fā)送IP包時(shí)，它的發(fā)送地為10.0.0.1。在到達(dá)網(wǎng)關(guān)路由器時(shí)，會(huì)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(yàn)IP的checksum也會(huì)更改。

基礎(chǔ)NAT盡管是一對一轉(zhuǎn)換IP地址，它還是可以減小內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)對IP地址的需求。通常來說，一個(gè)局域網(wǎng)中只有少數(shù)的設(shè)備處于開機(jī)狀態(tài)，并不需要給每個(gè)設(shè)備對應(yīng)一個(gè)全球IP地址。NAT可以動(dòng)態(tài)的管理全球IP地址，并將全球IP地址對應(yīng)到開機(jī)設(shè)備，從而減小內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)NAT中，高層協(xié)議的端口號(hào)并不會(huì)改動(dòng)。NAPT下，IP地址和端口號(hào)可能同時(shí)改動(dòng)。

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(shí)，我們實(shí)際上是用IP:Port來代表通信的一端(正如打電話時(shí)主機(jī):分機(jī)號(hào)一樣)。NAPT就是在網(wǎng)關(guān)路由器處建立兩個(gè)通信通道，一個(gè)通往內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)通往外部網(wǎng)絡(luò)，然后將網(wǎng)關(guān)處的通道端口連接，從而讓內(nèi)部和外部通信。比如：

我們看到，通往IP 199.165.145.1建立了三個(gè)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(nèi)部IP:端口的一一對應(yīng)關(guān)系。在IP包經(jīng)過時(shí)，網(wǎng)關(guān)路由器會(huì)更改IP地址，端口號(hào)以及相關(guān)的checksum。

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

NAPT：多重影分身術(shù)

無論是基礎(chǔ)NAT還是NAPT，它們的設(shè)置都比較復(fù)雜，并且從本質(zhì)上違背了互聯(lián)網(wǎng)最初的設(shè)計(jì)理念。但由于IPv4的使用慣性，NAT還是被廣泛推廣。由于NAT所處的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器是理想的設(shè)置防火墻的位置，NAT還往往和防火墻共同建設(shè)，以提高私有網(wǎng)絡(luò)的安全性。

總結(jié)

即使是CIDR和NAT廣泛使用，IPv4還是在不可避免的耗盡。IPv6正在加緊部署。但上述的兩種技術(shù)，CIDR和NAT在IPv6中同樣被采用，所以了解它們依然是有意義的。

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