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(cháng)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。隨后，IPv6被設計出來(lái)，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(shuō)這里要說(shuō)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(Classless Inter Domain Routing)改進(jìn)了傳統的IPv4地址分類(lèi)。傳統的IP分類(lèi)將IP地址直接對應為默認的分類(lèi)，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(lèi)
在IP接力賽中，我提到，IP地址可以分為如下幾類(lèi)：
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(lèi)設計。一個(gè)IPv4地址總共有32位，可以分為網(wǎng)絡(luò )(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(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。一個(gè)A類(lèi)網(wǎng)絡(luò )可以有224臺主機，也就是16777216。由于IPv4地址已經(jīng)分好了類(lèi)，所以當我們拿到一個(gè)IP地址，我們就可以通過(guò)上面查到它的子網(wǎng)掩碼。(B類(lèi)，216; C類(lèi)，28)
2) 傳統路由表
IP分類(lèi)的方便了IP包的接力。IP包到達某個(gè)路由器后，會(huì )根據該路由器的路由表(routing table)，來(lái)決定接力的下一站。一個(gè)傳統的路由表看起來(lái)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 )拓撲如下：
由于IP分類(lèi)，我們不需要記錄subnet mask。當我們要前往199.165.146.17時(shí)，我們已經(jīng)知道這臺主機位于一個(gè)C類(lèi)地址，所以它的子網(wǎng)掩碼是255.255.255.0，也就是說(shuō)199.165.146代表了網(wǎng)絡(luò )，17代表了主機。
3) CIDR路由表
然而，由于默認分類(lèi)，造成了網(wǎng)絡(luò )只能按照A、B、C的方式存在。假設一個(gè)網(wǎng)絡(luò )(比如MIT的網(wǎng)絡(luò ))分配了一個(gè)A類(lèi)地址，那么該網(wǎng)絡(luò )將容許16777216個(gè)主機。如果該網(wǎng)絡(luò )無(wú)法用完這些IP地址，這些IP地址將無(wú)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臺主機，那么將會(huì )有200多個(gè)IP地址被浪費。CIDR的本質(zhì)是在路由表中加入子網(wǎng)掩碼，并根據該列信息對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行分割，而不是根據默認的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(guò)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。子網(wǎng)掩碼總是有連續多個(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(lái)同時(shí)表示IP地址和子網(wǎng)掩碼。
路由器將原來(lái)的199.165.145網(wǎng)絡(luò )中的一部分分割出來(lái)。這一網(wǎng)絡(luò )可以容納兩臺電腦，也就是199.165.145.254和199.165.145.255。這個(gè)網(wǎng)絡(luò )對應網(wǎng)卡是eth2。當有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 )拓撲如下：
利用CIDR，我們可以將IP地址根據需要進(jìn)行分割，從而不浪費IP地址。
CIDR雖然可以更加節約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(lái)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(lái)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(luò )(private network)服務(wù)的。該網(wǎng)絡(luò )中的主機使用私有IP地址。當私有網(wǎng)絡(luò )內部主機和外部Internet通信時(shí)，網(wǎng)關(guān)(gateway)路由器負責將私有IP地址轉換為全球IP地址，這個(gè)地址轉換過(guò)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(guān)路由器一一轉換一個(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對應關(guān)系，比如：
上面網(wǎng)絡(luò )中，當有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(xiě)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IP的checksum也會(huì )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(luò )對IP地址的需求。通常來(lái)說(shuō)，一個(gè)局域網(wǎng)中只有少數的設備處于開(kāi)機狀態(tài)，并不需要給每個(gè)設備對應一個(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地址對應到開(kāi)機設備，從而減小內部網(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NAT中，高層協(xié)議的端口號并不會(huì )改動(dòng)。NAPT下，IP地址和端口號可能同時(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(lái)代表通信的一端(正如打電話(huà)時(shí)主機:分機號一樣)。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:端口和內部IP:端口的一一對應關(guān)系。在IP包經(jīng)過(guò)時(shí)，網(wǎng)關(guān)路由器會(huì )更改IP地址，端口號以及相關(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，來(lái)對應多個(gè)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。
NAPT：多重影分身術(shù)
無(wú)論是基礎NAT還是NAPT，它們的設置都比較復雜，并且從本質(zhì)上違背了互聯(lián)網(wǎng)最初的設計理念。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)器是理想的設置防火墻的位置，NAT還往往和防火墻共同建設，以提高私有網(wǎng)絡(luò )的安全性。
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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