變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用

2019-11-05 01:00:31

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供稿：網(wǎng)友

　　對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計師而言，構(gòu)造一個運(yùn)行良好的網(wǎng)絡(luò)要面臨很多挑戰(zhàn)。在一個大型的，層次的，可伸縮的網(wǎng)絡(luò)中，一個精心規(guī)劃的ip地址分配策略和適時的路由聚合是至關(guān)重要的。
傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建立在有類別地址的基礎(chǔ)上（A，B，C類地址）。早期的路由協(xié)議，如RIPv1，IGRP出于節(jié)省帶寬的考慮，在路由更新時不傳送子網(wǎng)掩碼信息，因此在網(wǎng)絡(luò)信息傳輸時需要對子網(wǎng)掩碼做一些假設(shè)。
1.假如路由器接收端口配置的IP地址和路由更新中傳送的子網(wǎng)信息有相同的主類別網(wǎng)絡(luò)，則該子網(wǎng)使用接收端口的掩碼配置。
2.假如傳送的子網(wǎng)信息穿越不同主類別網(wǎng)絡(luò)邊界，則傳送路由器自動在主類別網(wǎng)絡(luò)邊界執(zhí)行路由聚合，并只傳送經(jīng)過聚合的路由。
　　　變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖一）

變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖一）

　　圖1
　　
如圖1，網(wǎng)絡(luò)中有三臺路由器：A，B，C，均運(yùn)行RIPv1路由協(xié)議，RIPv1是有類路由協(xié)議，路由更新中不傳遞子網(wǎng)掩碼信息。B的S0端口收到從A傳送的子網(wǎng)信息10.1.0.0（不包括子網(wǎng)掩碼），由于B的S0端口在10.2.0.0/16子網(wǎng)和10.1.0.0有相同的主類別網(wǎng)絡(luò)10.0.0.0，所以B的路由表中會添加一條10.1.0.0/16的記錄－－使用的是B在S0端口的掩碼/16。當(dāng)B向C傳遞10.1.0.0子網(wǎng)的路由信息時，由于B，C之間為172.16.1.0/24子網(wǎng)，主類別網(wǎng)絡(luò)為172.16.0.0，不同于10.1.0.0的主類別網(wǎng)絡(luò)10.0.0.0，因此B在向C傳送10.1.0.0時會自動執(zhí)行路由聚合到10.0.0.0，C在路由表中添加10.1.0.0/16子網(wǎng)的路由信息將是10.0.0.0/8，使用的是主類別網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)的掩碼（A類地址/8位，B類地址/16位，C類地址/24位）。
　　　變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖二）

變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖二）

　　圖2
　　
如圖2，路由器B的S0端口在10.2.0.0/24子網(wǎng)，即/24位掩碼，由于從A傳遞的10.1.0.0子網(wǎng)要使用接收端口的掩碼配置，因此也會使用/24位掩碼，從而產(chǎn)生了一條錯誤的路由記錄，這將導(dǎo)致某些經(jīng)過B去往10.1.0.0/16的流量將無法到達(dá)。為了避免上述情況，必須約定，同主類別網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)必須使用相同的掩碼。新約定又帶來了新問題，即同主網(wǎng)絡(luò)下地址無法有效的分配。
　　　變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖三）

變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖三）

　　圖3
　　
如圖3，假如某局域網(wǎng)上使用了27位的掩碼，則每個子網(wǎng)可以支持30臺主機(jī)(2^5-2=30)；而對于WAN連接而言，每個連接只需要2個地址，理想的方案是使用30位掩碼(2^2-2=2)，然而同主類別網(wǎng)絡(luò)相同掩碼的約束，WAN之間也必須使用27位掩碼，這樣就浪費(fèi)28個地址。另外一個是不連續(xù)地址的問題。
　　　變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖四）

變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖四）

　　圖4
　　
如圖4，根據(jù)前述約定，路由在經(jīng)過不同主網(wǎng)絡(luò)邊界時會自動聚合到主類別地址邊界。A的10.1.0.0/16子網(wǎng)經(jīng)過172.16.2.0/24傳遞到B，由于經(jīng)過不同主類別地址，所以會自動聚合，實(shí)際傳送的是10.0.0.0；同理，C的10.2.0.0/16子網(wǎng)經(jīng)過172.16.1.0/24傳遞到B，實(shí)際傳送的是10.0.0.0。這樣，對于B而言，它收到兩條去往10.0.0.0子網(wǎng)的路由記錄，B會添加兩條到10.0.0.0/8路由記錄到路由表，它們下一跳的地址不同，一條指向A的S1，另一條指向C的S0。由于有相同的跳數(shù)，所以會自動啟用負(fù)載平衡，這樣經(jīng)過B訪問10.0.0.0的流量將無法區(qū)分是去往10.1.0.0的還是10.2.0.0的，它們都有50％的機(jī)會命中，所以就會出現(xiàn)間歇性的網(wǎng)絡(luò)訪問故障。而對10.1.0.0和10.2.0.0而言，它們二者是不可見的。由于有不連續(xù)地址的問題，所以，規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)地址時必須保證一個主網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)必須連續(xù)存在。
上述問題隨著變長子網(wǎng)掩碼，路由聚合和無類域間路由以及無類路由協(xié)議（RIPv2，EIGRP，OSPF，IS-IS，BGPv4）等技術(shù)的引入而得到了良好的解決。
變長子網(wǎng)掩碼（VLSM），是指在一個層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，可以使用多個不同的掩碼，也即可以對一個經(jīng)過子網(wǎng)劃分的網(wǎng)絡(luò)再次劃分。變長子網(wǎng)掩碼的引入，有效解決了地址分配的浪費(fèi)問題。
　　　變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖五）

變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖五）

　　圖5
　　
如圖5，某個公司的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)分配了172.16.12.0/22的地址空間，公司的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃如下：在路由器D連接3個VLAN，其中2個VLAN有不超過200臺的主機(jī)，另外一個VLAN包括3個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)主機(jī)數(shù)量不超過30臺，路由器A，B，C通過FR和D相連，保證每條PVC僅分配2個IP地址。所有路由器均采用RIPv2無類別路由協(xié)議，路由更新中可以傳送子網(wǎng)掩碼信息，支持VLSM。根據(jù)上述網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，使用VLSM地址分配策略，設(shè)計如下IP地址分配計劃：
1.由于需要3個VLAN，其中兩個VLAN有不超過200臺的主機(jī)，根據(jù)公式，主機(jī)需要8位地址（2^8=256>200>2^7=128），子網(wǎng)需要2位（2^2=4>3），因此得到4個連續(xù)的/24位子網(wǎng)，分別是172.16.12.0/24，172.16.13.0/24，172.16.14.0/24，172.16.15.0/24。其中172.16.12.0/24和172.16.13.0/24分配給其中兩個VLAN，每個子網(wǎng)最多可以支持254臺主機(jī)。
2.剩下一個VLAN每個子網(wǎng)主機(jī)數(shù)不超過30臺，需要5個主機(jī)位，對應(yīng)需要/27位的掩碼(32-5=27)，最多可以滿足8個/27位子網(wǎng)的需求（2^3＝8）由于172.16.12.0/24，和172.16.13.0/24子網(wǎng)已分配，不能繼續(xù)作子網(wǎng)劃分，現(xiàn)在可以采用的子網(wǎng)是172.16.14.0/24和172.16.15.0/24作進(jìn)一步的子網(wǎng)劃分。假定這里使用172.16.14.0/24，3個LAN分配的子網(wǎng)是172.16.14.0/27，172.16.14.32/27，172.16.14.64/27，同時還保留了5個子網(wǎng)作為備用或保留作進(jìn)一步的子網(wǎng)劃分。
3.由于WAN連接僅需要兩個IP地址，所以最佳的掩碼應(yīng)該是/30位（2^(32-30)-2=2），同樣，我們挑選一個未分配的/27位子網(wǎng)做進(jìn)一步的劃分，為了方便起見，我們選用最后一個/27位子網(wǎng)172.16.14.224/27作為WAN連接的地址空間。經(jīng)過劃分得到172.16.14.224/30，172.16.14.228/30，172.16.14.232/30等子網(wǎng)，同時還保留了5個/30的子網(wǎng)備用。
至此，一個基于VLSM分配策略的，層次的IP地址分配方案就完成了，和定長子網(wǎng)掩碼相比，變長子網(wǎng)掩碼的地址分配方案有效的節(jié)省了IP地址。同時，由于采用新的無類路由協(xié)議RIPv2，路由更新中傳遞子網(wǎng)掩碼信息，子網(wǎng)信息可以精確區(qū)分，消除了不連續(xù)地址的問題。
使用VLSM地址分配方案要考慮兩個主要問題：
1.子網(wǎng)中待分配的最多主機(jī)數(shù)，根據(jù)計算公式2^n-2，得出主機(jī)需要的位數(shù)
2.子網(wǎng)的數(shù)量，根據(jù)計算公式：2^n，得出子網(wǎng)需要的位數(shù)。
隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量日益增長，過大的路由表會帶來一些問題：
1.CPU的路由計算，路由檢索的負(fù)荷加劇，潛在造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。
2.大量路由信息的傳輸占用了有效帶寬。
3.路由器需要更多的存儲器存儲路由信息。
4.頻繁的網(wǎng)絡(luò)變動，造成路由收斂時間延長。
因此，大型網(wǎng)絡(luò)中，控制路由表的規(guī)模也是非常重要的。該問題可以通過路由聚合（Route Aggregation，有時也稱路由摘要，路由匯聚）得到解決。在使用有類路由協(xié)議的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，路由信息經(jīng)過不同主類別網(wǎng)絡(luò)邊界時，也會自動執(zhí)行路由聚合。不過，此種路由聚合被限制在主類別網(wǎng)絡(luò)的邊界，靈活性比較差。新的路由協(xié)議中支持VLSM，可以手動控制，在多層次進(jìn)行聚合，極大地提高了聚合的靈活性。
路由聚合通過匯聚若干條路由記錄為一條路由記錄，有效減少了路由信息量，降低了CPU處理路由的負(fù)荷，路由器對存儲空間的需求，同時也加快了路由表收斂的速度。
路由聚合的另外一個好處是可以有效地屏蔽網(wǎng)絡(luò)中局部的變動對網(wǎng)絡(luò)全局的影響。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，設(shè)備，鏈路故障的可能性增大，在某些路由協(xié)議中，如OSPF，某個鏈路的失效或端口UP，DOWN都會引起整個網(wǎng)絡(luò)的路由計算，增加了路由器的負(fù)荷和低效的數(shù)據(jù)流動。我們可以通過劃分區(qū)域和路由聚合等手段，把網(wǎng)絡(luò)變動的影響限制在一個小的區(qū)域內(nèi)，變動只對該區(qū)域產(chǎn)生影響，而不會影響到整個網(wǎng)絡(luò)。
　　
變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖六）

變長子網(wǎng)掩碼和路由聚合在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用（圖六）

　　圖6如圖6，路由器D作為區(qū)域邊界路由器連接到公司骨干區(qū)域，在未執(zhí)行路由聚合前，D中包括8條路由記錄（/24位路由2條，/27位路由3條，/30位路由3條），經(jīng)過聚合以后，D只需向骨干區(qū)域傳送一條172.16.12.0/22的記錄即可。同時，由于采用了路由聚合，區(qū)域內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的變動引起的路由表的變化將只影響到本區(qū)域內(nèi)部，其它區(qū)域不受影響。
下面以RIPv2為例，演示執(zhí)行路由聚合的方法：
router rip//啟動rip進(jìn)程
version 2//切換到ripv2版本
no auto-summary//關(guān)閉自動聚合，切換為手動聚合
int s1//切換到s1端口
ip summary-address rip 172.16.12.0 255.255.252.0//手動配置路由聚合到172.16.12.0/22
網(wǎng)絡(luò)聚合的計算可以歸納為3步：
1.寫出待聚合地址的二進(jìn)制形式。
2.從左到右找出連續(xù)相同的位，統(tǒng)計相同的位數(shù)。
3.寫出聚合地址。
聚合地址計算示例：
表一
聚合地址 172.16.12.0/22 ：有相同的前 22 位不相同的 10 位
172.16.12.0/24   10101100. 00010000.00001100.00000000
172.16.13.0/24   10101100. 00010000.00001101.00000000
172.16.14.0/27   10101100. 00010000.00001110.00000000
172.16.14.32/27 10101100. 00010000.00001110.00100000
172.16.14.64/27 10101100. 00010000.00001110.01000000

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