4.3 划分子网和构造超网

思维导图：

4.3.1 划分子网

**4.3 划分子网和构造超网笔记：**

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**4.3.1 划分子网**

**1. 两级IP地址到三级IP地址的转变：**

**关键点：**
- **问题背景：** 早期的ARPANET对IP地址的设计存在不足：
1. IP地址空间利用率低。
2. 每个物理网络分配一个网络号会导致路由表过大，影响网络性能。
3. 两级IP地址不够灵活。

- **子网划分的意义：**
- 为了解决上述问题，从1985年起在IP地址中加入了“子网号字段”。
- 子网寻址方法提供了对IP地址空间更高效、更灵活的管理。

**基本概念：**
- **子网划分的基本思路：**
1. 一个单位可以将其多个物理网络划分为若干个子网。这是单位内部的事务，对外仍表现为一个网络。
2. 子网的划分是从原网络的主机号中借用若干位作为子网号，从而生成三级IP地址：网络号、子网号和主机号。
3. 对外部的网络，地址仍然是基于网络号的。但当数据报达到指定网络后，会根据子网号进行进一步的路由。

**例子说明：**
- **原始状态**：一个B类网络145.13.0.0，所有目标地址为145.13.x.x的数据报都送到这个网络的路由器。
- **划分子网后**：网络145.13.0.0被划分为三个子网：145.13.3.0, 145.13.7.0, 145.13.21.0。对外部网络仍然显示为145.13.0.0，但内部路由器会根据子网号进行进一步的路由。

**总结：**
- 当没有划分子网时，IP地址是两级结构。
- 划分子网后，IP地址变为三级结构。
- 子网划分只是对IP地址的主机号部分进行再划分，不改变原IP地址的网络号。

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子网掩码（Subnet Mask）是IP网络中一个关键概念，它用于区分一个IP地址的网络部分和主机部分。以下是基于提供的内容对“子网掩码”这一节的简化和归纳：

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### 子网掩码

#### 基本概念：
- 子网掩码用于将IP地址分为“网络地址”和“主机地址”两部分。
- 子网掩码与IP地址进行“与”运算(AND)可以得到网络地址。

#### 为何使用子网掩码？
1. IP数据报的首部不包含关于子网划分的信息，所以需要子网掩码来辅助。
2. 路由器可以通过子网掩码方便地从数据报中提取出子网的网络地址。
3. 使用子网掩码，路由器可以统一算法处理数据包，不必关心网络是否划分子网。
4. 标准规定所有网络都必须使用子网掩码，这简化了路由表的查找过程。

#### 子网掩码示例：
- 图4-20(a)显示了IP地址145.13.3.10的原始两级IP地址结构。
- 图4-20(b)显示了这个两级IP地址的子网掩码。
- 图4-20(c)和(d)展示了三级IP地址结构和其子网掩码。
- 通过子网掩码和IP地址逐位“与”运算，可以得到图4-20(e)所示的网络地址145.13.3.0。

#### 默认子网掩码：
- A类地址：255.0.0.0
- B类地址：255.255.0.0
- C类地址：255.255.255.0

#### 重要性：
- 子网掩码是网络或子网的关键属性。
- 路由器交换路由信息时必须提供子网掩码。
- 路由表中的每条记录都应包含子网掩码。

#### 子网划分示例：
- 表4-6展示了B类地址的子网划分选择和子网掩码。

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4.3.2 使用子网时分组的转发

当我们引入子网划分，分组的转发策略需要相应地进行改动。

*路由表内容：*
- 目的网络地址
- 子网掩码
- 下一跳地址

*分组转发算法：*
1. 提取数据报首部的目的IP地址D。
2. 判断是否为直接交付。
- 逐一检查与路由器直接相连的网络：使用各网络的子网掩码与D进行AND操作。若结果匹配相应的网络地址，直接交付分组并结束转发；否则，进入(3)。
3. 若路由表中有D的特定主机路由，将数据报传送给指明的下一跳路由器。否则，进入(4)。
4. 遍历路由表：使用每一行的子网掩码与D进行AND操作。若结果匹配该行的网络地址，将数据报传送给指明的下一跳路由器；否则，进入(5)。
5. 若存在默认路由，将数据报传送给指明的默认路由器；否则，进入(6)。
6. 报告转发分组出错。

**例4-4：** 一个包含三个子网和两个路由器的网络。源主机H₁想要向目的主机H₂发送分组，我们将讨论路由器R₁如何查找其路由表来转发这个分组。

网络结构如下：
- 主机H₁: IP地址为128.30.33.13，属于子网1(地址：128.30.33.0, 子网掩码：255.255.255.128)
- 主机H₂: IP地址为128.30.33.138，属于子网2(地址：128.30.33.128, 子网掩码：255.255.255.128)

路由器R₁的部分路由表如下：
- 128.30.33.0 | 255.255.255.128 | 接口0
- 128.30.33.128 | 255.255.255.128 | 接口1
- 128.30.36.0 | 255.255.255.0 | R₂

**解答：**
当H₁要发送到H₂的分组，其目标地址是128.30.33.138。首先，H₁会确定分组是在本地子网上直接交付还是通过路由器进行间接交付。通过AND操作，H₁确定H₂不在同一个子网上，因此将分组传送给默认路由器R₁。R₁在其路由表中逐行搜索匹配的网络地址。最终，R₁将该分组从接口1直接转发到H₂。

我对这一节的理解：

这一节主要讨论了在有子网划分的网络环境中，如何进行分组转发。我们可以从以下几个方面理解这一节的内容：

1. **子网的引入和意义**：子网允许一个IP地址范围内的网络被进一步分成更小的网络。这样做的好处是可以更高效地管理和使用IP地址，并根据组织或物理结构将网络逻辑地划分。

2. **路由表的重要性**：路由表是路由器用来确定如何转发数据包的关键工具。在子网环境中，路由表不仅包含目的网络地址和下一跳地址，还增加了子网掩码。子网掩码用于确定目标地址属于哪个子网。

3. **分组转发算法**：当路由器收到数据包时，它会根据算法来决定如何转发。这一节详细描述了这个算法，包括如何使用AND操作和子网掩码来检查数据包的目的地址，并决定是否直接交付、间接交付或者使用默认路由。

4. **直接交付与间接交付的区别**：直接交付意味着目的地址在与路由器直接连接的网络上；间接交付意味着数据包需要被转发到另一个路由器或网络。

5. **实例分析**：通过一个具体的网络拓扑和路由表，这一节展示了如何应用分组转发算法，从而加深了对算法的理解。

简而言之，这一节向我们展示了在具有子网的环境中，如何利用路由表和特定的算法来正确、高效地转发数据包。理解这些概念对于网络设计和故障排查非常关键。

4.3.3 无分类编址CIDR（构造超网）

* **背景：**
* 1992年，互联网面临三大问题：
1. B类地址快被分配完。
2. 路由表项目数剧增。
3. IPv4地址空间将耗尽。

* **CIDR的引入：**
* 旨在解决前两个问题，而第三个问题由IPv6工作组解决。
* CIDR的思想基于VLSM（Variable Length Subnet Mask）。

* **CIDR的主要特点：**
1. **消除传统分类**：没有A、B、C类地址，取消子网概念。
* 32位IP地址分为“网络前缀”和“主机号”。
* 记法：`IP地址::={<网络前缀>,<主机号>}`
* 斜线记法：例如 `128.14.35.7/20`。
2. **CIDR地址块**：网络前缀相同的连续IP地址。
* 根据任何一个地址可以确定该地址块的范围。
* 例如，`128.14.35.7/20` 的地址范围是 `128.14.32.0` 到 `128.14.47.255`。

* **地址掩码**：
* 由1和0组成，1的个数表示网络前缀的长度。
* 虽然CIDR不使用子网，但地址掩码还可称为子网掩码。
* 斜线记法中，斜线后的数字表示地址掩码中1的个数。

* **CIDR与子网的关系**：
* CIDR不指定子网字段，但单位可以在其内部根据需求划分子网。

* **斜线记法的好处**：同时表示IP地址和其他信息，例如网络前缀长度、地址块大小等。

* **路由聚合（Route Aggregation）**：
* 利用CIDR地址块查找目的网络，大大减少了路由表中的项目数。
* 路由聚合也称为构成超网（supernetting）。

* **CIDR记法形式**：
* 例如：`10.0.0.0/10` 可简写为 `10/10`。
* 或使用星号*表示主机号。

* **表4-7**：展示了常用的CIDR地址块及其相关信息。

此节介绍了CIDR的背景、主要特点和各种记法。要理解其为什么出现，以及它是如何工作的，这有助于对IP地址分配和路由选择有更深入的了解。

为了使这个教材更容易理解和记忆，我们可以将它概括、格式化，并加入一些记忆提示或图示。

**CIDR笔记概括:**

1. **CIDR前缀长度与点分十进制:**
- `/21` -> `255.255.248.0` - 2K 地址数 - 相当于8个C类
- `/22` -> `255.255.252.0` - 1K 地址数 - 相当于4个C类
- `/23` -> `255.255.254.0` - 512地址数 - 相当于2个C类
- `/24` -> `255.255.255.0` - 256地址数 - 相当于1个C类
- `/25` -> `255.255.255.128` - 128地址数 - 相当于1/2个C类
- `/26` -> `255.255.255.192` - 64 地址数 - 相当于1/4个C类
- `/27` -> `255.255.255.224` - 32 地址数 - 相当于1/8个C类

2. **CIDR的核心概念:**
- CIDR地址块中的地址数是2的整数次幂。
- "构成超网"源于CIDR地址块包含多个C类地址。
- CIDR可以更有效地分配IPv4地址空间，提供分配灵活性。

3. **CIDR地址块划分例子:**
- ISP分配给大学地址块`206.0.68.0/22` (包括1024个IP地址)。
- 大学可以进一步划分这个地址块给不同的部门或系。

4. **地址聚合的概念:**
- 通过地址聚合，路由表可以被简化，减少项目数。
- 这就像邮递员投递到大学的收发室，再由收发室分发给各系。

5. **记忆提示:**
- 越长的CIDR前缀 = 越少的IP地址
- CIDR允许更细粒度的地址分配，不再局限于传统的A、B、C类地址划分。

6. **图解:**
- 当描述如何从ISP划分给大学，再到大学的各个系时，可以使用层次结构图或流程图。这样的视觉工具可以帮助读者快速把握核心概念。

2.最长前缀匹配笔记

**1. 什么是最长前缀匹配?**
- 当使用CIDR时，路由表中的项目可能会有不止一个匹配结果。
- 最长前缀匹配是选择具有最长网络前缀的路由。理由：网络前缀越长，地址块越小，路由越具体。
- 也被称为最长匹配或最佳匹配。

**2. 如何进行最长前缀匹配?**
- 使用AND操作比较目的IP地址与路由表中的掩码。
- 选择匹配中的最长前缀。

**3. 最长前缀匹配实例:**
- 假定存在两个路由项：206.0.68.0/22 (大学) 和 206.0.71.128/25 (四系)。
- 对于目的地址D=206.0.71.130：
- D与206.0.68.0/22匹配
- D与206.0.71.128/25匹配
- 由于206.0.71.128/25是更具体的匹配（前缀更长），数据报应转发至四系。

**4. CIDR与地理位置关联的优势:**
- IP地址与地理位置的关联可以大大压缩路由表的项目数。
- 例如，可将世界划分为地区并分配CIDR地址块：
- 194/7给欧洲
- 198/7给北美洲
- 200/7给中美洲和南美洲
- 202/7给亚洲和太平洋地区
- 这样的地址分配使IP地址与地理位置相关，简化了路由表查找。

**5. CIDR的局限性:**
- 在使用CIDR之前，IP地址并非基于地理位置分配。
- 收回并重新分配现有IP地址是困难的。
- 尽管CIDR存在局限性，它仍然延长了IP地址的使用寿命。

总结: 使用最长前缀匹配，路由决策可以更精确地根据网络前缀长度进行。而CIDR的引入可以更高效地使用IP地址空间，尽管重新分配地址的挑战依然存在。

3. 使用二叉线索查找路由表

**背景**
在CIDR实施后，路由查找中的最长前缀匹配需求使得整个查找过程更为复杂。当路由表的项数巨大时，如何优化路由查找时间就显得尤为重要。而传统的逐一查找方法效率较低，故有需求发展更为高效的查找方法。

**二叉线索(binary trie)简介**
- 它是一种树状数据结构，用于快速查询IP地址的路由。
- 由IP地址从左到右的位数来决定路径。
- 使用唯一前缀（前缀在所有IP地址中是唯一的）来构建。

**查找过程**
1. 检查IP地址最左侧的位：0表示向左，1表示向右。
2. 根据IP地址的每一位来决定下一个节点的位置。
3. 持续此过程直到到达叶子节点或没有匹配的路径。

**优化**
- **压缩技术**：例如，两个IP地址的前四位如果相同，可以直接跳过这四位，从第五位开始匹配，从而提高查找速度。

**注意点**
1. 二叉线索只提供了一种快速查找匹配的叶节点的方法。
2. 实际是否匹配，还需要与子网掩码进行逻辑“与”运算。
3. 尽管构建压缩的二叉线索可能会增加计算需求，但由于它可以提高每次查找的速度，因此这种额外的计算工作是有意义的。

**总结**
随着网络的发展，提高路由查找的速度和效率变得越来越重要。使用二叉线索等高效数据结构和查找算法，可以显著提高路由查找的性能，满足现代网络的需求。

我的理解：

理解“使用二叉线索查找路由表”这一段的核心概念，我们可以将其拆分为以下几个关键点：

1. **为什么需要新的查找方法**
- 使用CIDR（无类别域间路由）后，路由表中的地址不再简单地基于传统的类A、B、C分类，而是基于前缀长度。因此，需要寻找与给定地址最长的前缀匹配的路由条目，这使得查找变得复杂。
- 传统的逐个查找方法效率低下，特别是在大规模的路由表中。

2. **什么是二叉线索 (binary trie)**
- 二叉线索是一种树形数据结构，用于快速地在路由表中查找IP地址。
- 它使用IP地址从左到右的比特值来决定查找路径，从根节点逐层向下层延伸。

3. **唯一前缀的概念**
- 唯一前缀是在所有IP地址中只存在一次的前缀。
- 使用这些唯一前缀，可以构建一个简化和高效的二叉线索。

4. **查找流程**
- 从IP地址的最左边开始，按位进行查找。
- 0表示向左，1表示向右。
- 这种结构允许快速地确定一个IP地址是否在树中，以及它与哪个路由条目最匹配。

5. **优化查找：压缩技术**
- 如果多个IP地址的前几位都是相同的，那么在查找过程中，可以直接跳过这些位，从而提高查找效率。

6. **实际的匹配操作**
- 即使在二叉线索中找到了一个匹配的叶节点，实际的路由决策还需要进行进一步的检查。
- 需要与子网掩码进行逻辑“与”运算，以确定该地址是否真的与目标网络前缀匹配。

**简单概括**：
当网络路由表变得庞大和复杂时，我们需要更高效的查找算法。二叉线索提供了这样一个解决方案，它使用IP地址的比特值作为查找路径，从而实现快速、高效的查找。并且，通过一些优化技术，如压缩，查找速度可以进一步提高。