CIDR与NAT的分身术逆袭(1)

CIDR与NAT的分身术逆袭(1)

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。

1) 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)

2) 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。

3) 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。

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。