从IPv4报头结构分析延长使用寿命策略

原作者： 王玲芳

　　TCP/IP协议自80年代投入使用以来，经历了ARPANET、NSFNET、商业运营和全球化推广使用等四个阶段，现在IPv4面临被淘汰出局的尴尬处境，本篇文章试图从以下几个方面叙述一个造成今天这种情况的原因。让我们首先分析一下IPv4报头结构，从报头结构我们看到，表示数据包的源和目的的是源地址和目的地址，长度都是32位（以二进制表示的数字长度）。如果地址按平面结构进行分配且做到全球唯一性，即能够表示232个地址，换算成十进制数为4,294,967,296个地址，大约43亿。有一种对IPV4的指责便来源于此，此种看法认为：全球人口大约为60亿，让这60亿人来分43亿的地址，平均为0.717个地址，平均人手不到1个IP地址。如果按照这种思路来看，你有IP地址而我没有，是否是对我个人的不敬，在全球追求平等的大气氛下，确实有失公允。考虑到全球人类的受教育水平，人人拥有一个IP地址，并没有这个必要，即便有这个必要的话，我们也要考察一下申请IP地址的个人是否有将IP这个宝贵资源充分利用的能力，否则便是对资源的无端浪费。从另外一个方面看，IP是Internet的主要协议，是为了解决实际数据通信问题而诞生的，我们没有必要以一个数字去表示自己的身份，这样做是非常荒谬的。

　　按类进行地址分配所造成的问题

　　上面我们探讨的是IP地址空间按照平面结构实施分配的情况，在Internet中并没有遵循这样简单思路的习惯。考虑到寻址的效率问题，实际采用的是地址层次化分配，早期的地址分配方案将IP地址分为A类、B类、C类、D类和E类。

　　A类地址：网络号占8位，主机号占24位，A类IP地址第一比特为0，所能表示的网络数为27-2=126个物理网络，假设每个网络内按照平面结构进行分配，最多容纳224-2=16,777,216，如此A类网络可以利用的IP地址总数为126×16,777,216=2,113,929,216，地址利用效率为2,113,929,216/231=98.4375%。由于早期地址分配的策略问题，分配A类地址是巨大的浪费。最多只能有126个大型网络能够申请到这样的地址。

　　B类地址：主机号和网络号各占16位，所能表示的网络数为214-2=16,382，假设每个网络内按照平面结构进行分配，最多容纳216-2=65,534，如此B类网络可以利用的IP地址总数为16,382 × 65,534=1,073,577,988，地址利用效率为1,073,577,988/230=99.9845%。B类网络由于规模较小，地址浪费的情况不是很严重。

　　C类地址：网络号占24位，主机号占8位，所能表示的网络数为221-2=2,097,152，每个网络可以容纳28-2=254个地址，如此C类网络可以利用的IP地址总数为254 × 2,097,152=532,676,608，地址利用效率为532,676,608/229=99.21875%。

　　D类、E类地址：在表示主机号方面没有任何贡献，地址利用率为0。

综上所述，按照非常理想的地址分配方法，32位地址空间的利用效率为（2,113,929,216+1,073,577,988+532,676,608）/232=86.6173%。

　　据参考文献[1]第25页的资料，可以计算到97年1月总的主机数为16,146,000，相当于地址利用效率为16,146,000/232=0.376%。可见实际地址利用效率是多么的可怜。

　　根据RFC1715地址分配效率比例系数H，其中对32位地址空间（IPv4），估计可得到网络中寻址的设备总数为：悲观估计为30,000，乐观估计为2×108,而97年实际主机数为16,146,000，大于悲观估计，但仅是乐观估计的8.07%，可见IPv4的地址空间并不像有人估计的已经枯竭。

　　从前面IPv4地址分类和地址利用效率的分析，我们得出的结论是：地址分配方案需要改进。这就是CIDR(Classless InterDomain Routing)无类域间路由的根据。

　　取消IP地址作为身份或地理位置识别的功能

　　IP地址分配的另一个前提是全球唯一性，这样做的好处是透明性，无论在何时何地，都能确定一台主机的位置和身份，但这是违背安全性原则的。所以说唯一性可以取消，当然对提供通用服务的主机除外。唯一性所带来的另一坏处则是：还要辛辛苦苦地设计防火墙。

　　关于IPv4的地址分配原则设计建议如下：只对提供服务的主机申请全球唯一性地址，内部主机则使用私有地址，在内部网络和外部网络之间安装NAT（Network Address Translation，网络地址翻译），这样便可以大大地减少对IPv4地址的需求量。下面简单介绍NAT的工作原理。

　　我们知道，应用程序访问远端服务时通过（远端IP地址，远端服务端口号）来唯一地标识Internet上的一项服务，在实施NAT的机器上维持一个翻译地址表（本机端口号，请求服务机器内部网IP地址，请求服务机器的端口号）。在内部网的机器A申请远端机器B的服务C时，在A的TCP或UDP层要填写四元组（A的内部网IP地址，A应用程序的端口号，B的IP地址，C的端口号），NAT是作为内部网的唯一出口来使用的，相当于路由器的功能。A将数据包封装成IP包之后，发送到NAT。NAT将四元组中A的内部网IP地址更换为NAT的外部IP地址，将A应用程序的端口号更换为NAT中没有使用的端口号D，重新将数据打包，发往远端机器B。同时NAT将（端口号D，A的内部网IP地址，A应用程序的端口号）组成的三元组添加到翻译地址表中。在NAT收到远端机器B的响应后，其响应的目的端口号为D，以D为索引查找翻译表，找到相应项目，以A的内部网IP地址和A应用程序的端口号替换数据包中的目的地址和目的端口，将数据包重新打包发送到A。这样便完成了服务请求和应答的过程。在TCP或UDP中端口号是一个16位的无符号整数，相当于对一个IP地址扩大了216=65536倍，至少可以从一定程度上减少对IP地址的需求。

　　另外对于没有Internet连网需求的用户可以使用三个私有网区段地址（10/8，172.16/12,192.168/16），如果内部用户有连网需求，可以使用上面提到的NAT技术来实现。

　　从1、2的讨论，我们可以得出结论，当前IPv4的地址空间利用率并没有达到饱和，问题主要在地址分配的策略上面。地址分配策略主要和路由技术相关，如是可以使用CIDR技术来提高路由效率，这样从另一个方面提高了地址分配策略的效率。即使地址空间利用率达到饱和，仍然可以使用NAT技术将空间扩大65536倍。可以说，IPv4的存活期还很长，虽然已近暮年。但我们不能因为IPv4当前能用，就忽略对IPv6的研究探索，那样我们只能跟在别人的后面，我们仍然受制于人。在其他文章中，我会谈到IPv4向IPv6的过渡问题。

摘自《通讯世界》