文章目錄一、網(wǎng)絡(luò)通信中的三個(gè)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(gè) IPv4 地址歸入同一個(gè)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(gè)對象六、接口配置、地址塊、路由信息與數(shù)據(jù)報(bào)首部如何關(guān)聯(lián)七、同屬一個(gè) /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(gè)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(gè)地址究竟附著于何種對象以及哪些對象在運(yùn)行時(shí)使用它。在一個(gè)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(yùn)行 Windows 操作系統(tǒng)并通過一個(gè) 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(shí)機(jī)測量結(jié)果。這段描述中有三個(gè)不同層次的對象。電腦 A是整臺主機(jī)設(shè)備可以運(yùn)行操作系統(tǒng)、進(jìn)程和應(yīng)用程序并承擔(dān)通信端點(diǎn)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(dú)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(gè) 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(gè)網(wǎng)絡(luò)接口并在滿足具體發(fā)送條件時(shí)用它構(gòu)造相應(yīng)的 IPv4 數(shù)據(jù)報(bào)。它既不是電腦這一硬件實(shí)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(jī)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(shí)具有 Wi-Fi 和以太網(wǎng)等多個(gè)接口在允許的配置條件下一個(gè)接口可以配置多個(gè) IPv4 地址接口地址也可以隨配置改變。所以不能把“一個(gè) 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(gè) IPv4 地址”。這里暫時(shí)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(bào)時(shí)可以使用相應(yīng)配置和路由信息。不同接口、不同地址在實(shí)際發(fā)送時(shí)怎樣被選擇是后續(xù)路由機(jī)制需要進(jìn)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(gè)32 bit 的地址值。日常常見的192.168.10.35是它的點(diǎn)分十進(jìn)制寫法不代表四個(gè)彼此獨(dú)立的通信對象。32 個(gè)比特可以依次分成四組每組 8 bit稱為一個(gè)八位組octet。8 位二進(jìn)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(gè)無符號八位組其數(shù)值范圍是0255因此點(diǎn)分十進(jìn)制寫法中的四個(gè)數(shù)都應(yīng)處于這一范圍。將示例地址的每一組十進(jìn)制值轉(zhuǎn)換為八位二進(jìn)制十進(jìn)制八位組八位二進(jìn)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(dá)的是同一個(gè)數(shù)值。分隔用的點(diǎn)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(bào)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(diǎn)很重要后續(xù)所說的“前 24 位”“后 8 位”是從這個(gè)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(gè)十進(jìn)制數(shù)分別處理路由問題。三、為什么需要將多個(gè) IPv4 地址歸入同一個(gè)地址范圍一個(gè)具體的 IPv4 地址可以標(biāo)識一個(gè)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(gè)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(gè)可能的具體 IPv4 地址分別建立獨(dú)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(gè)地址范圍可以用一個(gè)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(jī)。用三個(gè)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(gè)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(gè)八位組是00001011而 A、B 的第三個(gè)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(gè) 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(gè)真實(shí)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(shí)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(gè)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(gè)具體的 IPv4 地址/24是前綴長度表示按照這個(gè)地址最左邊24 bit的取值來確定所屬地址塊。一個(gè) 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(gè)/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(gè)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jì)算會在后續(xù)介紹子網(wǎng)掩碼與 CIDR 時(shí)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(gè)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(gè)接口使用的具體地址以及相應(yīng)前綴長度。為了識別這個(gè)地址屬于哪個(gè)/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(diǎn)分十進(jìn)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(gè)地址塊時(shí)應(yīng)同時(shí)寫出前綴長度192.168.10.0/24以下四種表達(dá)需要分清表達(dá)本例中所指的對象或用途192.168.10.35一個(gè)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(gè)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(gè) 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(gè)地址塊因?yàn)閱为?dú)一個(gè) IPv4 地址值沒有明確給出要固定多少個(gè)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(gè)地址塊時(shí)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(gè)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(gè)“地址為192.168.10.0的特殊主機(jī)”也不意味著在計(jì)算時(shí)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(bào)都必須把目的地址改成192.168.10.0。數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)首部如何關(guān)聯(lián)理解上述數(shù)值后還需要把它們放進(jìn)一次實(shí)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(gè)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(gè)程序準(zhǔn)備向電腦 B 上相應(yīng)的通信端點(diǎn)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(bào)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(gè)首部字段并沒有一個(gè)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(bào)使用該接口就自動成為其首部的獨(dú)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(hù)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(gè)例子里可以區(qū)分四個(gè)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(jī)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(gè)地址集合是對地址范圍的規(guī)范化表示。③ 主機(jī)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(shí)際要送達(dá)的那臺主機(jī)。④ 某一份實(shí)際構(gòu)造和發(fā)送的 IPv4 數(shù)據(jù)報(bào)。本例中的具體目的 IPv4 地址是192.168.10.80屬于這個(gè)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(bào)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(gè)數(shù)據(jù)報(bào)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(shí)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(bào)目的地址改成這個(gè)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€(gè)對象。它們在“配置—計(jì)算—路由判斷—實(shí)際數(shù)據(jù)報(bào)”中有不同身份、保存位置和職責(zé)。七、同屬一個(gè)/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?yàn)樗鼈兊那?24 位相同。然而這個(gè)結(jié)論僅回答“這兩個(gè)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(shí)際位于能夠直接交換鏈路層幀的網(wǎng)絡(luò)中”實(shí)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(gè)相互隔離、沒有相應(yīng)連接與路由機(jī)制的二層網(wǎng)絡(luò)中也不會因?yàn)楦?24 位相同就自動實(shí)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(shí)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(shí)際通信事實(shí)不能只由“前綴相同”單獨(dú)推導(dǎo)。ARP、MAC 地址、實(shí)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(jī)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(jìn)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(gè)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(gè)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(gè)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(jī)或無線 AP 實(shí)現(xiàn)二層通信也不能直接導(dǎo)出某臺實(shí)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(gè) 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(gè)設(shè)備可有多個(gè)接口一個(gè)接口也可在允許配置下使用多個(gè) IPv4 地址?！包c(diǎn)分十進(jìn)制的四段是否表示四個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)部分”不是。點(diǎn)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(jī)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(gè)不同地址值。主機(jī)數(shù)、實(shí)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(gè)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(gè)地址所屬的整個(gè)/24地址塊的規(guī)范化寫法?！坝?jì)算出192.168.10.0是否就多了一臺特殊主機(jī)”不會。這里得到的是規(guī)范化網(wǎng)絡(luò)地址值。數(shù)學(xué)計(jì)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(bào)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(dá)一組可匹配地址具體 IPv4 數(shù)據(jù)報(bào)仍有自己的目的 IPv4 地址字段。本例中的實(shí)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(shí)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。