细说子网

全文概要

最近闲来无事，抄起本《Wireshark网络分析就是这么简单》想了解下数据包粒度(Packet-level)的网络测量及分析方法，书开篇提出一个面试题，与子网掩码相关，乍看心觉easy，咱好歹也是计算机专业学生，本科算是很认真学习过计算机网络课，且不说研究多么深入，但至少对于基础概念及重点问题，诸如OSI分层模型、TCP可靠传输机制、子网划分、路由算法甚至CSMA都如数家珍(毕竟好像教科书上科普重点就这么多…)，小小的一个ping得通还是ping不通的问题，还能难倒我？

好吧，我承认，确实有困惑到… 然后一通想加一通做，再加一通找，于是就有了这篇文章… 大概…犯错及随之而来的自尊心作祟才是第一生产力。

基础概念

在本文对子网(Subnetwork)的相关机制进行阐释前，不管你是否有空或者有足够耐心坚持看完全文，在开头，我都觉得很有必要将会涉及到的基本概念先列出如下：

1. IP地址，即网络层地址，以32位的IPv4地址为例，它通常分为网络地址(Network Address)和主机地址(Host Address)两部分；
2. IP地址分类，按照网络地址位数划分，一般可分作A、B、C、D四类，各类地址细节如下：
   • A类地址：用可变的7位(bit)来标识网络号，可变的24位标识主机号，最前面1位固定为“0”，即A类地址第一个字节的十进制数值范围介于1~126之间。注意，A类地址的第一个字节的十进制数值不能是0和127，127开头的IP地址保留给内部回送函数，专门用作诊断，如127.0.0.1是回环地址lo，用于回路测试；而0则表示该地址是本地宿主机，不能(无需)传送。
     • A类地址通常为大型网络提供，全世界总共就只有126个A类网络，每个A类网络最多可以连接16777214(2^24 - 2, 主机位全0的IP地址用于标识本网络地址，主机位全1的IP地址用于标识广播地址，因此有两个IP地址不可用，故可表示的主机数量减2)台主机。
     • A类地址的私有地址范围为：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255。
   • B类地址：用可变的14位来标识网络号，可变的16位标识主机号，最前面2位固定为“10”，即B类地址第一个字节的十进制数值范围介于128~191之间，前两字节合在一起标识网络地址。
     • B类地址适用于中等规模的网络，全世界大约有16000个B类网络，每个B类网络最多可以连接65534(2^16 - 2)台主机。
     • B类地址的私有地址范围为：172.16.0.0 ～ 172.31.255.255。
   • C类地址：用可变的21位来标识网络号，可变的8位标识主机号，最前面3位固定为”110“，即C类地址第一个字节的十进制数值范围介于192~223之间，前三字节合在一起标识网络地址，最后一个字节用于标识主机地址。
     • C类地址适用于校园网等小型网络，每个C类网络最多可以连接254台主机。
     • C类地址的私有地址范围为：192.168.0.0 ～ 192.168.255.255。
   • D类地址：最前面4位固定为”1110“，它是一个专门的保留地址，并不指向特定的网络，目前这一类地址被用于多点广播，即多播(Multicast)中，多播地址用来一次性寻址一组主机，标识共享同一特殊协议的一组计算机。
   • E类地址：最前面5位固定为”11110”，为将来使用保留。
3. 子网掩码(Subnet Mask)，也是32位，用于标识一个IP地址的子网地址，计算子网号时，将计算机十进制的IP地址和子网掩码转换为二进制的形式，然后进行二进制按位与计算(全1则得1，不全1则得0)，即得到子网地址。

还有一个，你同样需要知道的，由TCP/IP协议栈所规定的事实：

• 如果属于同一网段/子网，两个地址间的信息交换不通过或无需网关(如路由器)。
• 如果不属同一网段/子网，也就是子网号不同，两个地址的信息交换必须通过网关转发进行。

以及决定上述事实的原理：

• 以太网中，位于同一个网段/子网内的任意设备，可以两两ping通，仅在二层即数据链路层即可完成通信。在已知对方IP地址但不知道MAC地址情况下，可以通过广播ARP请求及获取ARP应答的方式构建新ARP表项，在通信发起方处维护对端IP地址到其MAC地址的映射，接着封装、发送目的MAC地址为对方MAC地址的以太网帧。

了解以上内容，“基本”可以回答那道令人困惑的面试题了。

就从Ping说起

面试题内容是这样的：

现有两台服务器A和B，具体配置信息如下表：

默认网关IP：192.168.26.2/24，MAC地址：08:00:27:28:b9:33

问题描述如下：

B的子网掩码本来应该配成255.255.255.0，但不小心配成了255.255.255.224，那么A与B还能正常通信嘛？

• 如果不行，说明原因。
• 如果可以，请简述通信流程。

书上给出四个Plausible的答案，乍一看，真都好有道理：

• 版本一
  • 答案：“A与B不能通信，因为…这都行的话，子网掩码还有什么用？？？”
  • 评价：这位的反证法听上去让人无可质疑！
• 版本二
  • 答案：“A与B可以通信，因为它们通过ARP广播获知对方MAC地址。”
  • 评价：那子网掩码有什么用？上面的反证法刚好可用来反驳这位。
• 版本三
  • 答案：“A与B可以通信，但所有包都要通过默认网关192.168.26.2转发。”
  • 评价：请问这么复杂的结果你是怎么想到的？
• 版本四
  • 答案：“A与B不能通信，因为ARP不能跨子网。”
  • 评价：这个答案倒像是过了脑子的。

关于以上问题的事实：真相只有一个。

而事实有时候就很残酷：上面一个都不对。

解释说明题可与选择题不一样，后者结论对了找准选项就能拿满分，前者即使给出正确结论，但是荒谬无稽的解释则常常给阅卷人想要倒扣分的冲动…

按照正经答题的顺序，先告诉你正确答案：A与B可以通信。

接下来看看这个过程中发生了什么，以B ping A为例，至于为什么不是A ping B，请认真阅读下文内容，在之后我会解释原因。

要得出这个答案，我在Virtualbox上拿VM搭了个简单网络拓扑，两个VM分别作为Server A和Server B，第三个VM作为默认网关，并设置成允许转发：

echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward

得到的抓包结果如下图所示：

根据以上Wireshark的抓包结果，结合其中数据包出现的先后顺序，可将B ping A的通信流程作如下分析：

1. 在B处，计算B的IP地址，即源IP地址，与A的IP地址，即目的IP地址，分别和B的子网掩码按位与的结果，即应用上文介绍的计算网络地址的唯一方法，发现： B对应的网络地址为192.168.26.0，而A对应的网络地址为192.168.26.128，结果不同。 因此B会据此判断： 本机与目的主机A不在同一网段。 而不在同一网段的主机要进行通信，参考前文中关于跨网络通信的机制的内容，了解到B要想与A通信，必须经过默认网关(肯定与本机B在同一网段)的转发，故主机B会先把ICMP数据包发往默认网关192.168.26.2，我们知道要发送一个数据包，仅知道目的IP地址是不够的，真正在链路上传输时，目的主机的物理地址即MAC地址也是必须要一同封装在以太网帧中的，然而初始时并不知道默认网关的MAC地址。 ARP协议的作用正在于此： B向本网段广播(ff:ff:ff:ff:ff:ff)一个ARP Request包，询问：“谁的IP地址是默认网关的地址，请把你的MAC地址回复给我”。 于是，本次通信的第一个数据包出现了！
2. 默认网关接收到此ARP请求后检查目的IP发现就是自己，于是将自己的MAC封装在ARP Reply数据包中回复给主机B，这是第二个数据包。
3. 主机B获知默认网关的MAC地址后，发送一个ICMP Request数据包给它，第三个数据包被发送，其实这个包本意是想发送给主机A，但中间需要默认网关帮忙中转一下，故此ICMP包的目的MAC地址为默认网关的MAC地址，但是目的IP地址仍为主机A的IP地址。
4. 主机B迅速收到一个来自默认网关的ICMP Redirect数据包，即第四个数据包，意在告诉主机B：包我会转发的，你放心吧。但是至于包是不是真的被默认网关转发了，还不得而知，除非在默认网关处也抓到这个包。想到这里，不妨换个思路，根据结果接着往下分析。
5. 然后我们在主机B上抓到了第五个数据包，居然又是个ARP请求包，根据源MAC地址显示，这个ARP请求来自主机A，那么它想干什么？包内容显示该请求想知道：谁的IP是192.168.26.3，也就是，谁是主机B？
   • 在A处重复流程1中的IP地址与网络掩码的按位与运算，不过这次的网络掩码要用主机A的掩码，发现：A对应的网络地址为192.168.26.0，而B对应的网络地址竟然也是192.168.26.0！
   • 你为什么会这么震惊？
   • 你是不是发现了什么不得了的事儿？
   • 没错，你已经知道了另一个事实：在A看来，本机与目的主机B在同一网段！从而A要主动向B发包的话，在知道其MAC地址的前提下，是可以直接发送而无需默认网关转发的。但好像又有不对劲的地方…容我反应一下…
   • 你马上想到一个问题：A为什么会要给B发包？
   • 我猜你问出这个问题的下一秒，已经知道了答案：当然是因为A已经收到了B的ping包，而A在想要回复B一个ICMP包时候发现自己并不知道主机B的MAC地址呀！
   • 这间接证明了在流程3中，默认网关确实将B发送给它的那个目的IP地址为A的IP地址的ICMP包，正确地转发给了A。
6. 至于第六个数据包，当然是主机B回复主机A的ARP请求的ARP Reply，将自己MAC地址告诉主机A，方便主机A响应此前自己的ping操作。
   • 这就又证明了一件事儿：主机B在执行ARP回复时并不考虑子网，这不，虽然ARP请求在它看来，来自另一个子网的IP地址，但也照样回复。
7. 之后，主机B终于收到了来自A的ICMP Reply回包，即在抓到第七个相关数据包后，一次ping过程成功完成。
8. 后来的过程中，主机A、B由于清楚地知道了对方的联系方式(各自以及默认网关的IP地址、MAC地址以及路由信息)，此后的就没必要再发ARP包了，于是此后都是直接抓到双方由于ping产生ICMP数据包。

分析完这几个包，面试题的答案有了，原来通信流程是这样：B先把ping请求交给默认网关，默认网关再转发给A，而A收到请求后直接把ping回复给B，形成如下所示的三角环路：

让我们再回到之前的那个问题：为什么以B ping A为例，而不是A ping B呢？

其实答案已经一目了然：A ping B时，A通过子网掩码运算后发现B和自己在同一网段，广播ARP请求从来自主机B的ARP应答报文中获取其MAC地址，于是直接发送ICMP Request包给B。此后B进行回复，于是重复上述步骤1～4，随后默认网关将此ICMP Reply包转发至A，完成一次ping过程。

以上，算是完整解答了面试题的各种情况，但我们的目的绝不仅限于此，不是吗？

坚持积累的同时，也要及时的总结。

将零散的知识点经过总结后才能更容易整合到自己的技术体系中，会更有利于记忆和掌握，接下来我们好好掰扯掰扯子网这个东西。

子网掩码

功能

IP地址由网络号和主机号组成，网络号标识的是Internet(互联网)中的一个网段/子网，而主机号标识的子网中的某台主机。网际地址分解成两个域(Domain)之后带来了一个很明显的好处：

IP数据包从网际中的一个网络到达另一个网络时，路由器转发时选择路径可以基于网络而不是基于主机。在大型的网络中，这一点优势尤为突出，因为连接不同网络的路由表中只需存储网络信息，而不是主机信息，这样无疑简化了路由表，极大减轻了路由器的存储开销(Storage Overhead)。

看到这里，你大概会问，子网掩码在其中扮演了什么样的角色呢？

利用子网掩码就可以将一个IP地址分割为网络地址和主机地址两个域，具体作用体现在以下两方面：

1. 屏蔽IP地址的一部分以区别网络号和主机号；
2. 进一步划分网络，得到同一网络下的若干子网(Subnet)。

对应以上作用1，有如下IP地址组成二层结构等式：

• IP 地址 = 网络地址(Network Address) + 主机地址(Host Address)

以及，对应以上作用2，即如果进一步划分子网(Subnetting)，IP地址变成三层结构：

• IP地址 = 网络地址(Network Address) + 子网地址(Subnet Address) + 主机地址(Host Address)

原理

那么子网掩码是如何实现上述功能的呢？

子网掩码包含32位，通过将网络位置为“1”，主机位置为“0”，完成网络地址与主机地址的分割功能，此时IP地址具有二层结构：

• IP地址 = 网络地址+主机地址

任何设备IP地址与其子网掩码按位与后的结果就可以得到其网络地址，具体到路由器上，每个需要其转发的数据包到达后，路由器使用将该包的目的IP地址与其对应的子网掩码按位与的方法，得出该目的IP地址所在网段，然后查询路由表，将数据包往匹配表项中指定的下一跳(Next Hop)进行转发。

此外，子网掩码还能帮助我们，将一个大型的IP网络，进一步细分为若干子网，这一过程叫作子网划分(Subnetting)，通过向IP地址中原二层结构中的主机地址借用若干位作为子网位(Subnet ID)，主机位减少位数，即可将一个较大的网络细分为 2^子网位数 个小型子网，此时IP地址具有三层结构：

• IP地址 = 网络地址 + 子网地址 +主机地址

并通过比较源IP及目的IP地址分别与本机子网掩码按位与后的结果是否相同，判断目的主机是否在局域网内(相同)，或在远程网上(不同)。

无类别域间路由

无类别域间路由，即Classless InterDomain Routing，简称CIDR，该机制的引入是为了应对IPv4地址会被耗尽这个问题，注意，应对(Cope with)，或者说缓解(Mitigate)，但不是解决(Solve)。

IPv4地址总共32位，最多支持2^32=4294967296个IP地址，而地址分类机制，即将IP地址分为A、B、C等几个类别，每次划分时以8位作为递增步长，只支持8、16和24位的网络地址，而由于管理机构在为申请组织分配IP地址时，一般都是以网络为单位分配，即每次会将一整个网络的IP地址全部分配下发出去，这种分配机制十分不灵活，甚至会带来相当严重的浪费问题。

具体举例如下：

1. 一个组织在申请网络地址时一次性最少也可以被分配到256个IP地址，此时对应C类地址，主机位数为8，假如这是家小公司，总共只需要15个独立IP，且无论短期还是长期都没有扩充机器数量的计划，这无疑就造成严重的地址浪费。
2. 如果一个组织需要超过256个IP地址，假设1000个，那么管理机构就必须为其分配B类地址，而B类地址支持65536个独立IP地址，同样出现极大的地址浪费现象。
3. 该组织需要超过65536个独立IP地址呢？为其分配A类地址，浪费更加不可想象！

出于安全等多方面的考虑，分配地址仍只能以网络为单位，故这种分配机制的不灵活性和浪费问题无法从根本上解决，CIDR就是提供了一种缓和机制：划分IP地址时以1位作为递增步长，这样不仅支持8、16、24三种网络位数，网络位数位小于32位的任意位数都为合法IP地址，这时的网络位数还是由子网掩码来确定。

下图展示了将子网掩码应用于A、B、C等类别(Classful)网络，以及无类别(Classless)网络的情况：

当然，CIDR机制仅仅只是缓和了IPv4地址消耗过快的事实，使得IP地址能够以一种更加高校的方式被管理结构分配给网络服务提供商(Internet Service Provider，ISP)和用户，但是正如上文所说，随着互联网设备和用户规模与日俱增，这“治标不治本”。到目前为止，要想真正解决网络地址短缺的问题，及早普及在1993年引入的IPv6协议才是终极方法，在IPv6协议下，网络地址为IPv6地址，包含128位(bit)，支持的独立地址数量达到了2^128这一根本无法企及的天文数字。

参考资源

[1] What is a Subnet Mask [2]如何理解子网掩码中的“子网” [3]网络基本功：细说IP地址与子网