文章目錄一、網(wǎng)絡(luò)通信中的三個不同對象設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接口、IPv4 地址二、IPv4 地址的 32 位數(shù)值結(jié)構(gòu)三、為什么需要將多個 IPv4 地址歸入同一個地址范圍四、前綴長度 /24指定地址集合的共同部分五、具體接口地址和規(guī)范化地址塊不是同一個對象六、接口配置、地址塊、路由信息與數(shù)據(jù)報首部如何關(guān)聯(lián)七、同屬一個 /24 地址塊不保證物理鏈路已連通八、貫穿本單元的三地址演算九、本輪已處理的關(guān)鍵對象辨析一、網(wǎng)絡(luò)通信中的三個不同對象設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接口、IPv4 地址研究 IPv4 地址前要明確一個地址究竟附著于何種對象以及哪些對象在運行時使用它。在一個典型的 Windows 家庭 Wi-Fi 場景中假設(shè)有電腦 A 和家庭路由器。電腦 A 運行 Windows 操作系統(tǒng)并通過一個 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)接口接入家庭網(wǎng)絡(luò)。該接口的示例 IPv4 地址為192.168.10.35示例 MAC 地址為02:11:22:33:44:55。家庭路由器 LAN 側(cè)接口可配置192.168.10.1示例 MAC 地址為02:AA:BB:CC:DD:EE。MAC 地址在這里是用于區(qū)分對象的假設(shè)值非實機測量結(jié)果。這段描述中有三個不同層次的對象。電腦 A是整臺主機設(shè)備可以運行操作系統(tǒng)、進程和應(yīng)用程序并承擔(dān)通信端點的角色。Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)接口是 Windows 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧所管理的網(wǎng)絡(luò)通信接口。對于本例它與相應(yīng)驅(qū)動、硬件以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理能力相關(guān)聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)接口作為操作系統(tǒng)中的通信對象不能直接等同于整臺電腦。并且網(wǎng)絡(luò)接口不一定都是獨立的物理網(wǎng)卡也可以存在虛擬接口。IPv4 地址192.168.10.35是一個 32 位的網(wǎng)絡(luò)層地址值。操作系統(tǒng)可以將它配置給某個網(wǎng)絡(luò)接口并在滿足具體發(fā)送條件時用它構(gòu)造相應(yīng)的 IPv4 數(shù)據(jù)報。它既不是電腦這一硬件實體本身也不是 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)接口對象本身。對象之間常見的關(guān)系可以寫為電腦 A主機設(shè)備 └─ Windows 操作系統(tǒng) └─ Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)接口 ├─ IPv4 地址配置192.168.10.35 └─ 鏈路層 MAC 地址02:11:22:33:44:55示例 家庭路由器 └─ LAN 側(cè)接口 ├─ IPv4 地址配置192.168.10.1 └─ 鏈路層 MAC 地址02:AA:BB:CC:DD:EE示例設(shè)備、接口與地址并非固定一一對應(yīng)。一臺電腦可以同時具有 Wi-Fi 和以太網(wǎng)等多個接口在允許的配置條件下一個接口可以配置多個 IPv4 地址接口地址也可以隨配置改變。所以不能把“一個 IPv4 地址”等同于“一臺固定不變的物理設(shè)備”也不能理解為“一臺電腦天然只有一個 IPv4 地址”。這里暫時只確認(rèn)這些對象的身份及關(guān)聯(lián)操作系統(tǒng)持有、管理網(wǎng)絡(luò)接口相關(guān)的 IPv4 配置網(wǎng)絡(luò)層后續(xù)構(gòu)造、發(fā)送、接收數(shù)據(jù)報時可以使用相應(yīng)配置和路由信息。不同接口、不同地址在實際發(fā)送時怎樣被選擇是后續(xù)路由機制需要進一步解釋的內(nèi)容。二、IPv4 地址的 32 位數(shù)值結(jié)構(gòu)IPv4 地址本質(zhì)上是一個32 bit 的地址值。日常常見的192.168.10.35是它的點分十進制寫法不代表四個彼此獨立的通信對象。32 個比特可以依次分成四組每組 8 bit稱為一個八位組octet。8 位二進制數(shù)能夠表示的不同組合數(shù)量為2 8 256 2^825628256對于一個無符號八位組其數(shù)值范圍是0255因此點分十進制寫法中的四個數(shù)都應(yīng)處于這一范圍。將示例地址的每一組十進制值轉(zhuǎn)換為八位二進制十進制八位組八位二進制值192110000001681010100010000010103500100011連接四組以后完整的 32 位地址是11000000 10101000 00001010 00100011也可以為了便于閱讀而寫成11000000.10101000.00001010.00100011這和192.168.10.35表達的是同一個數(shù)值。分隔用的點號是人類閱讀上的記號不是 IPv4 首部傳輸?shù)念~外字段。IPv4 數(shù)據(jù)報首部中的源 IPv4 地址和目的 IPv4 地址字段各占 32 bit攜帶相應(yīng)的地址比特值。理解這一點很重要后續(xù)所說的“前 24 位”“后 8 位”是從這個完整的 32 位地址中連續(xù)截取比特并不表示網(wǎng)絡(luò)層始終按四個十進制數(shù)分別處理路由問題。三、為什么需要將多個 IPv4 地址歸入同一個地址范圍一個具體的 IPv4 地址可以標(biāo)識一個通信所使用的網(wǎng)絡(luò)層地址但網(wǎng)絡(luò)通信還涉及另一個問題網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如何為大量不同目的地址組織轉(zhuǎn)發(fā)信息如果每臺路由器都必須為每一個可能的具體 IPv4 地址分別建立獨立轉(zhuǎn)發(fā)記錄所需的路由信息將可能非常龐大。將具有共同高位比特的一組地址視為一個地址范圍可以用一個前綴表示這組地址并讓路由信息按地址范圍組織。這是引入**地址前綴address prefix**的動機。用三個例子觀察比特層面的共同部分A 192.168.10.35 11000000 10101000 00001010 00100011 B 192.168.10.80 11000000 10101000 00001010 01010000 C 192.168.11.35 11000000 10101000 00001011 00100011A 和 B 的最左側(cè) 24 個比特完全相同11000000 10101000 00001010只有最后的 8 位不同A 最后8位00100011 B 最后8位01010000C 的第三個八位組是00001011而 A、B 的第三個八位組是00001010因此 C 與它們不共享相同的前 24 位。由此可以采用“固定一段共同高位比特、允許剩余低位取不同組合”的方式定義一個 IPv4 地址集合。這里的“共同前綴”必須從地址最左邊開始屬于連續(xù)的一段高位比特并非在 32 位中任選若干相同的位置。注意目前我們得到的是地址集合的數(shù)值歸屬關(guān)系。說 A 與 B 具有相同的某段地址前綴并不能單憑此事推斷它們處于同一個真實二層網(wǎng)絡(luò)、可以直接互發(fā)以太網(wǎng)幀、或者必定可以互相訪問。地址范圍與網(wǎng)絡(luò)實際連通條件稍后還要分別判斷。四、前綴長度/24指定地址集合的共同部分要準(zhǔn)確界定一個前綴需要告訴系統(tǒng)或讀者固定的共同高位究竟有多少比特。例如192.168.10.35/24在本課的接口配置語境中192.168.10.35是一個具體的 IPv4 地址/24是前綴長度表示按照這個地址最左邊24 bit的取值來確定所屬地址塊。一個 IPv4 地址共有 32 bit因此剩余的位數(shù)為32 ? 24 8 bit 32-248\text{ bit}32?248bit從完整比特序列中劃出邊界192.168.10.35/24 11000000 10101000 00001010 | 00100011 ------ 固定的前 24 bit ----- | - 后 8 bit -對于這個/24地址塊前 24 位固定為11000000 10101000 00001010后 8 位允許取從00000000到11111111的各種組合所以地址塊包含的不同地址值數(shù)量為2 8 256 2^825628256由此得出的地址范圍是192.168.10.0 192.168.10.255這里算出來的是 256 個地址值。它不是“現(xiàn)有 256 臺設(shè)備”的測量結(jié)果也不能直接等同于“允許為 256 臺普通主機分配單播地址”。地址分配、網(wǎng)絡(luò)地址、廣播地址與可用主機數(shù)量有額外條件將在后續(xù)單元正式展開。/24中的 24 指的是地址比特的數(shù)量不是設(shè)備數(shù)、路由器數(shù)、網(wǎng)卡數(shù)或網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。IPv4 前綴長度不局限于/8、/16、/24這些恰好落在十進制八位組邊界上的取值。前綴長度可以從 0 到 32例如/21、/26、/27等也是有效的長度。本單元先用/24建立地址與前綴的正確關(guān)系非八位組邊界的具體計算會在后續(xù)介紹子網(wǎng)掩碼與 CIDR 時系統(tǒng)講解。五、具體接口地址和規(guī)范化地址塊不是同一個對象繼續(xù)假設(shè) Windows 的 Wi-Fi 接口配置了 IPv4 地址192.168.10.35前綴長度為 24。在接口配置描述中可以簡寫成192.168.10.35/24這描述的首先是某個接口使用的具體地址以及相應(yīng)前綴長度。為了識別這個地址屬于哪個/24地址塊需要把它的前 24 位保留、后 8 位全部歸零原地址 11000000 10101000 00001010 | 00100011 保留前 24 位后 8 位全部設(shè)為 0 11000000 10101000 00001010 | 00000000得到點分十進制地址值192.168.10.0這是本例中該前綴的規(guī)范化網(wǎng)絡(luò)地址值。在需要明確指代整個地址塊時應(yīng)同時寫出前綴長度192.168.10.0/24以下四種表達需要分清表達本例中所指的對象或用途192.168.10.35一個具體的 32 位 IPv4 地址值192.168.10.35/24Wi-Fi 接口的 IPv4 地址與前綴長度的組合配置表示192.168.10.0一個具體的 32 位地址值在本例/24條件下是規(guī)范化網(wǎng)絡(luò)地址192.168.10.0/24明確指定整個 IPv4 前綴地址塊的規(guī)范化表示為什么不能只寫192.168.10.0就斷定其代表哪個地址塊因為單獨一個 IPv4 地址值沒有明確給出要固定多少個高位。相同數(shù)值與不同前綴長度組合可能描述不同大小的地址塊。明確表示整個地址塊時需要網(wǎng)絡(luò)地址值與對應(yīng)前綴長度。此外規(guī)范化網(wǎng)絡(luò)地址只是一個地址值或用于表示地址塊的組成部分并不意味著系統(tǒng)自動創(chuàng)建了一個“地址為192.168.10.0的特殊主機”也不意味著在計算時新增了網(wǎng)卡或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。更不能把它理解成所有發(fā)往這一地址塊內(nèi)設(shè)備的 IPv4 數(shù)據(jù)報都必須把目的地址改成192.168.10.0。數(shù)據(jù)報的具體目的地址與地址塊的匹配標(biāo)識承擔(dān)不同職責(zé)。六、接口配置、地址塊、路由信息與數(shù)據(jù)報首部如何關(guān)聯(lián)理解上述數(shù)值后還需要把它們放進一次實際通信場景避免把“含有相近 IP 數(shù)值的對象”誤當(dāng)成同一個東西。假設(shè)家庭網(wǎng)絡(luò)中有兩臺 Windows 電腦電腦 A 的 Wi-Fi 接口192.168.10.35/24 電腦 B 的 Wi-Fi 接口192.168.10.80/24電腦 A 的某個程序準(zhǔn)備向電腦 B 上相應(yīng)的通信端點發(fā)送數(shù)據(jù)。在操作系統(tǒng)選擇使用 A 的該接口地址作為源地址、并使用 B 的地址作為目標(biāo)地址的條件下所構(gòu)造的 IPv4 數(shù)據(jù)報首部可以包含源 IPv4 地址192.168.10.35 目的 IPv4 地址192.168.10.80源、目的 IPv4 地址字段各占 32 bit。這兩個首部字段并沒有一個額外的“源 IP 前綴長度 24”或“目的 IP 前綴長度 24”字段。接口配置中的/24不會因數(shù)據(jù)報使用該接口就自動成為其首部的獨立字段。/24屬于本地接口地址配置及其相關(guān)的本地路由信息。系統(tǒng)可以依據(jù)接口地址及前綴配置形成或維護關(guān)聯(lián)的直連網(wǎng)絡(luò)路由再結(jié)合路由規(guī)則作發(fā)送判斷。在這個例子里可以區(qū)分四個對象層次① 網(wǎng)絡(luò)接口配置。192.168.10.35/24描述電腦 A 某網(wǎng)絡(luò)接口的本地 IPv4 地址和前綴長度。配置由主機操作系統(tǒng)管理后續(xù)可以被網(wǎng)絡(luò)層使用。② 數(shù)學(xué)上的 IPv4 地址塊。192.168.10.0/24表示前 24 位固定、后 8 位可變化的整個地址集合是對地址范圍的規(guī)范化表示。③ 主機路由表中的目的前綴。路由表可能含有一條指向192.168.10.0/24的直連路由。這里的前綴用來描述某條規(guī)則所適用的一類目的地址而不等于實際要送達的那臺主機。④ 某一份實際構(gòu)造和發(fā)送的 IPv4 數(shù)據(jù)報。本例中的具體目的 IPv4 地址是192.168.10.80屬于這個地址塊源 IPv4 地址是192.168.10.35。這里為了說明基本關(guān)系假設(shè)不發(fā)生 NAT 等額外地址改寫。這些對象之間的聯(lián)系可以讀成Windows 本地 Wi-Fi 接口配置 ├─ 具體 IPv4 地址192.168.10.35 └─ 前綴長度/24 │ ├─ 可以確定所屬地址塊192.168.10.0/24 │ └─ 與系統(tǒng)的直連路由信息相關(guān)聯(lián) │ └─ 供后續(xù)目的地址匹配、輸出判斷使用 本次 IPv4 數(shù)據(jù)報示例 ├─ 源地址192.168.10.35 └─ 目的地址192.168.10.80本圖中的“可以確定”說明數(shù)值關(guān)系及配置之間的邏輯關(guān)聯(lián)并不聲稱每發(fā)一個數(shù)據(jù)報操作系統(tǒng)都必然重新做一遍教學(xué)演算也不指定某一種操作系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。路由表中的192.168.10.0/24可以匹配到目的地址192.168.10.80匹配某條目的網(wǎng)絡(luò)前綴和把數(shù)據(jù)報目的地址改成這個前綴的網(wǎng)絡(luò)地址是兩件不同的事。前者屬于轉(zhuǎn)發(fā)決策的依據(jù)后者不因普通路由匹配而自動發(fā)生。接口地址、地址塊、路由條目、IPv4 首部中的地址字段不能只因?qū)懛ㄏ嘟愫喜⒊梢粋€對象。它們在“配置—計算—路由判斷—實際數(shù)據(jù)報”中有不同身份、保存位置和職責(zé)。七、同屬一個/24地址塊不保證物理鏈路已連通在地址集合層面192.168.10.35/24與192.168.10.80/24所對應(yīng)的具體 IPv4 地址都落在192.168.10.0/24中因為它們的前 24 位相同。然而這個結(jié)論僅回答“這兩個數(shù)值屬于同一指定 IPv4 前綴范圍嗎”它尚未回答“這兩臺電腦是不是實際位于能夠直接交換鏈路層幀的網(wǎng)絡(luò)中”實際直接通信還取決于合適的鏈路連接、二層網(wǎng)絡(luò)組織方式和其他網(wǎng)絡(luò)配置或策略。例如即使兩臺電腦采用相同的/24地址配置若它們分別位于兩個相互隔離、沒有相應(yīng)連接與路由機制的二層網(wǎng)絡(luò)中也不會因為高 24 位相同就自動實現(xiàn)互通。因此要保持兩層判斷地址集合判斷 A 和 B 都屬于 192.168.10.0/24。 實際通信判斷 還需要考察路由規(guī)則、輸出接口、鏈路連接及鄰居解析等條件。對配置合理的典型家庭 LAN 來說這些條件經(jīng)常共同支持同網(wǎng)段設(shè)備通信。但這一實際通信事實不能只由“前綴相同”單獨推導(dǎo)。ARP、MAC 地址、實際逐跳發(fā)送、同網(wǎng)段與跨網(wǎng)段通信會在后續(xù)正式自然單元中以完整過程繼續(xù)學(xué)習(xí)這里不把只出現(xiàn)名稱的后續(xù)機制冒充為已經(jīng)講透。八、貫穿本單元的三地址演算為了把二進制表示、前綴定義、地址塊歸屬整合起來考察A 192.168.10.35 B 192.168.10.80 C 192.168.11.35目標(biāo)判斷這三個地址中哪些屬于地址塊192.168.10.0/24。步驟一確定需要比較的前綴長度/24要求比較最左側(cè) 24 bit。步驟二寫出目標(biāo)地址塊固定的前 24 位192.168.10.0/24 的前 24 位 11000000 10101000 00001010步驟三對每個具體地址取其最左側(cè) 24 位A 的前24位11000000 10101000 00001010 B 的前24位11000000 10101000 00001010 C 的前24位11000000 10101000 00001011步驟四比對。A 和 B 的高 24 位與目標(biāo)前綴完全相同C 的高 24 位不同。所以A屬于 192.168.10.0/24 B屬于 192.168.10.0/24 C不屬于 192.168.10.0/24這只是地址值是否屬于某個指定前綴范圍的判斷。不能由這一算式直接推斷 A、B 一定已經(jīng)通過交換機或無線 AP 實現(xiàn)二層通信也不能直接導(dǎo)出某臺實際路由器的全部路由選擇結(jié)果。九、本輪已處理的關(guān)鍵對象辨析“IPv4 地址就是設(shè)備本身嗎”不是。IPv4 地址是一個 32 位地址值可在相應(yīng)條件下關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接口的配置電腦、網(wǎng)絡(luò)接口、IPv4 地址分別是設(shè)備、接口對象和數(shù)值/配置關(guān)系。一個設(shè)備可有多個接口一個接口也可在允許配置下使用多個 IPv4 地址。“點分十進制的四段是否表示四個獨立的網(wǎng)絡(luò)部分”不是。點號幫助人閱讀 32 位值地址前綴可以在任意合法比特位置結(jié)束并不要求只能在八位組邊界切分。“/24是 24 臺主機的意思嗎”不是。它表示最左側(cè) 24 bit 的前綴長度剩余 8 bit 可變對應(yīng) 256 個不同地址值。主機數(shù)、實際設(shè)備數(shù)、普通單播地址可用數(shù)不能不加條件地與 256 畫等號?！?92.168.10.35/24與192.168.10.0/24是兩個同義寫法嗎”兩者在此例中有關(guān)聯(lián)但前者用于描述接口的具體地址加前綴長度后者是這個地址所屬的整個/24地址塊的規(guī)范化寫法?！坝嬎愠?92.168.10.0是否就多了一臺特殊主機”不會。這里得到的是規(guī)范化網(wǎng)絡(luò)地址值。數(shù)學(xué)計算結(jié)果不是額外創(chuàng)建出來的一臺物理設(shè)備或虛擬接口。“路由表匹配192.168.10.0/24是否把數(shù)據(jù)報目的 IP 改寫成192.168.10.0”普通路由前綴匹配并不會自動產(chǎn)生這樣的目的地址改寫。路由目的前綴表達一組可匹配地址具體 IPv4 數(shù)據(jù)報仍有自己的目的 IPv4 地址字段。本例中的實際目的地址是192.168.10.80?！癆、B 都屬于192.168.10.0/24是否就一定能相互通信”只能據(jù)此確認(rèn)地址集合歸屬實際通信仍依賴網(wǎng)絡(luò)接口、鏈路、路由規(guī)則和鄰居解析等具體條件。