因特网子网
因特网子网
（RFC917 ——Internet Subnets）
本备忘录的状态
本文档是有关Internet的协议的提案，有待讨论。本备忘录的发布不受任何限制。
摘要
本文档讨论因特网中“子网”的效用。“子网”是整个因特网中的一部分。由于管理和技术的原因，许多机构选择把一个网络分成几个子网，而不是单纯的使用一系列的因特网地址。
本文档提出使用子网的程序和过程，并讨论解决由此而产生的问题的方法，特别是路由问题。
1. 介绍
Internet在开始时被视为两层结构，高层是作为一个整体的链式网，其下是一系列“网络”的集合，每一个网络都有各自的网络号。（虽然Internet的拓扑结构其实是不分层的，但Internet的地址解析是分层的。）
这种做法曾一度被证明是简单而有效的，但许多机构发现并不过充分。因此，在对Internet地址的解析中加入了第三层。从这个观点出发，某一特定的网络就需要（也可能不需要）分层一系列的子网。
将Internet视为两层的观点是建立在这样一个假设之上的，即：对一台处于某网络中的主机而言，它所处的网络只有一个边界，也就是说，这个网络可以被视为一个有许多主机相连着的黑盒。这对Internet早期的ARPA网来说是对的。因为IMPs屏蔽了网络中的特殊连接的使用。对大多数局域网技术来说也是这样，比如以太网和环网。
但这种假设在许多实践中却是不对的。在一个中等大小的机构中，比如有好几个建筑物的大学和公司，常常需要多条局域网网线将“局部地区”相连。在写这篇文档是，斯坦福大学就有18条这样的网线，而且更多的还在计划中。
要用多条网线连接几个区域的原因有几个：
l 不同的技术的网络：特别是在研究环境中，可能会有几个不同的局域网，例如，某个机构有一些设备支持以太网，而另一些则支持环网。
l 技术的限制：多数技术由于起电气参数的限制，而对连接的主机数和网线的总长度有限制。这些限制，特别是网线长度很容易达到。
l 网络拥塞：在一个局域网中，一小部分的主机很可能独占大部分的带宽。通常解决这个问题的方法是把主机根据相互间通信的多少分成几部分，各部分使用不同的网线。
l 点对点的连接：有时一个“局部区域”被分成几个部分，而个部分之间的距离对上述局域网技术来说太远了。在这种情况下，高速的点对点连接可以用来连接这些局域网。
对不得不使用多个局域网的机构来说，分配Internet地址有三种选择：
1. 为每一条网线分配一个网络号。
2. 为整个机构分配一个网络号，并给主机分配地址，而不理会主机在哪个局域网中。
3. 使用一个网络地址，并分成几个地址空间，从中给每个局域网分配一个子网地址（显式子网）。
每一种方法都有缺点。第一种方法虽然不需要修改和增加现有协议，但会导致路由表的急剧增大，整个网络的内部连通性信息传播于整个Internet，而这些信息对这个机构以外的世界没有用处。特别是现在有些网关没有很大的路由表空间。所以这样的问题应该避免。
第二种方法需要一定的协议把某些局域网的整合成一个单一的网络。例如，在使用地址解析协议（ARP）的局域网中，Internet地址被解析成为硬件地址，局域网间的网桥会拦截ARP对非本地目标的请求。但不是所有的局域网技术都可以做到这一点，特别是没有使用ARP或不支持广播协议的。一个更基本的问题是，网桥要知道每台主机在哪个局域网中（这些信息可以用广播算法获得），随着主机的增多，广播的代价也随之增大，转换所需的缓冲也随之增大。
当找到合适的方法，就有可能是子网内的主机并不知道自己处于子网中。这点在后面会解释。当不能修改主机以使其支持“显式子网”时，这样做是非常有用的。
1．1. 术语
为了讲述的清楚和简洁，这里定义一些术语，并在以后的文中使用：
链式网：连接在一起的网络的集合
网络：Internet中的一个网络（可以分成子网，也可以不分）
子网：网络中的一部分
网络号：见参考[8]
本地地址：Internet地址中没有分配给网络号使用的位，也叫“剩余位”
子网号：网络中标识子网的号码
子网位：Internet地址中分配给子网号使用的位
主机位：Internet地址中用于指明特定主机使用的位
网关：连接两个或更多不同网络或子网，传递数据的节点
网桥：连接两个或更多物理上可分，但管理上不可分的子网，在必要使传递数据包的节点，主机不知道其存在。
2 子网地址分配标准 根据参考[2]中的描述，划分子网也就是地址的分配问题。在这部分中，我们首先提出一个支持子网的地址解析方案，然后讨论这种地址格式和广播之间的关系，最后给出一个地址解析协议。
2．1 Internet地址的解析 假设某机构分配到一个网络号，并将之分成一系列子网，再分配给主机。如何进行呢？因为对于Internet地址中本地地址部分的分配限制很少，因此对子网号的分配主要有以下几种方法：
a) 变长字段：本地地址部分任意位都可以给子网号使用，虽然这部分长度对某一特定网络是一定的，但各网络间可以不同。如果长度是0，则说明没有使用子网。
b) 定长字段：指定长度的字段（比如8位）用语子网号（在使用子网的情况下）。
c) 自编码变长字段：网络好的字段长度是由其高位决定，相似的，子网号的字段长度也由其高位决定。
d) 自编码定长字段：一定长度的字段给子网使用。如果最高位是1，则使用子网，否则没有使用。
用什么标准从这四个方案中选择一个呢？首先，确定是否要选用自编码方案，也就是说能否通过检测一个因特网地址就能得知这个地址是否用道子网？
自编码的一个优点是，人们能知道一个非本地的网络是否被划分成子网。 这是否有用还不是很清楚。 但主要的好处是不需要额外的信息来说明两个地址是否在同一子网上。 然而，从另一个角度看，这也会是个缺点：对于非子网网络，如果有主机在其地址的本地地址字段中任意使用，则会导致问题（1）。也就是说，如果能够独立于主机地址的分配而控制网络是否子网，这会非常有用。另一个自编码方案的缺点是，给主机使用的地址空间会减少至少2位。
如果没有使用自编码方案，很明显，变长子网字段方案是合适的。既然任何情况下每个网络都有“标志”显示是否使用子网，使用整数型标志比使用布尔型标志所多的耗费也就可以忽略。使用变长子网字段的好处是允许每个机构选择最好的分配方案，以应付给子网和主机使用的地址位数的相对不足。
因此，我们提议的因特网地址的解析是：
<网络号><子网号><主机号>
网络号使用的位在参考[8]中有述。主机号字段至少长1位。子网字段的长度在一个网络中是固定的。子网字段和主机字段不需要其他的数据。如果子网字段的长度是0，则说明没有使用子网。
例如，在一个A类网络中的有8位长的子网字段，则它的地址如下：
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|0| 网络 | 子网 | 主机号 |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
为了实现的简单和有效，我们希望所有的机构都使用8位或者8的倍数的子网字段长度。但作为一个统一的实现方法，必须能够其他可能的长度。
我们反对“递归子网”的使用，就是将主机号字段再分成子网和主机两部分。因为：
- 没有对四层结构的明显的需求。
- IP地址中没有足够的位使这种方法有实用价值。
- 需要复杂的而外机制
2．2 为支持子网，软件所需的改动 在大多数IP的实现中，处理向外发送数据包的模块里常有类似下面的代码：
IF ip_net_number(packet.ip_dest) = ip_net_number(my_ip_addr)
THEN
send_packet_locally(packet, packet.ip_dest)
ELSE
send_packet_locally(packet,
gateway_to(ip_net_number(packet.ip_dest)))
IF 因特网网络号（数据包的目标地址） = 自己的网络号
THEN
发送本地数据包
ELSE
发送本地数据包到网关
为了支持子网，需要另一个32位的值，成为网络掩码。这是一个位掩码，各个位的设置和IP网络号以及子网号相对应。例如，一个A类网络使用8位子网字段，则其掩码为 255.255.0.0。
则上述的程序代码变为：
IF bitwise_and(packet.ip_dest, my_ip_mask)
= bitwise_and(my_ip_addr, my_ip_mask)
THEN
send_packet_locally(packet, packet.ip_dest)
ELSE
send_packet_locally(packet,
gateway_to(bitwise_and(packet.ip_dest, my_ip_mask)))
当然，部分条件的表达式可以预先计算好。
函数"gateway_to"可能需要修改，以做类似的比较和判断。
为支持连接在多个网络上的主机，程序可以给每个网络接口设置各自的"my_ip_addr" 和 "my_ip_mask"，上述代码中的比较和判断也要对每个网络接口进行。
2．3 子网和广播 在没有子网的情况下，因特网协议中只可能有两种广播：广播给指定网络中的所有主机，或者是广播给本身网络的所有主机。后一种方法在主机不知到自己在哪个网络中是很有用。
当使用了子网后，情况就变的复杂了。首先，产生了广播给特定子网的可能性。第二，广播给子网中的所有主机需要附加的机制。最后，“广播给本身网络“的解释变成“广播给本身子网”
这中的实现中必须认识3中广播地址以及自己的主机地址：
本身的物理网络
所有位都是1的目标地址（255.255.255.255）将使数据包在本地的物理网络中进行广播，网关并不传递这些数据包。
指定的网络
目标地址中有有效的网络地址，而本地地址部分都是1（例如：36.255.255.255）。
指定的子网
目标地址中的网落地址和子网地址有效，而主机号字段都是1（比如：36.40.255.255）。
因特网广播的更深入的讨论参看[6]。
一个有助于决定是否使用子网的因素是：某台主机是否需要用一步操作就能给所有主机广播。如果两台主机不在同一网络中，就不可能用一个步骤就给它们广播。
2．4 决定子网字段的长度 一台主机怎么知道该使用多长的子网字段呢？这个问题和几个“引导程序”的问题很相似：一台主机怎么知道自己的地址以及怎么知道网关的地址。对这三个问题，有两个基本的解决办法：“硬编码”的信息和基于广播的协议。
“硬编码”信息是指主机不通过网络就能获得的信息。可以是编译好的，或者更好的方法是存放在磁盘文件中。但对于不断增加的无盘工作站来说，由于它是从网络启动的，所以两种“应编码”的方法都不适用。而大多数的局域网技术都支持广播，因此另一个较好的方法是启动的主机广播所需要信息的要求。比如，为了知道自己的因特网地址，可以使用“逆向地址解析协议”[4]。
我们建议将ICMP[9]协议（因特网信报控制协议）进行扩展，加入一对新的ICMP消息类型：“地址格式请求”和“地址格式回复“，和“信息请求”和“信息恢复”消息很相似。细节参看附录1。
当一台主机启动时，广播新加入的ICMP消息“地址格式请求“<3>.网关（或相当于网关的主机）接收到后，回复以” 地址格式回复“。如果请求中没有说明是哪台主机发送的（源IP地址是0），则回复消息以广播形式发出。发出请求的主机就能接收到这个消息，从而知道自己的子网字段长度。
在“地址格式请求”中只可能有一个值，所以发出请求的主机就没有必要去匹配请求和回复：就是有多个网关回复也没有关系。我们认为主机不会经常从新启动，所以网络上这两个消息的广播负载是很小的。
如果主机连在好几个局域网上，它需要对每个局域网使用这个协议，除非它能确定（从其中一个网络的回复）几个局域网是在同一个网络中的。在这种情况下，其地址会有相同的子网字段长度。
一个潜在的问题是如果主机重复好多次都没有收到对“地址格式请求”的响应时该怎么办。有三种原因可能导致这种情况：
1． 局域网没有和其他的网络相连（永久的）。
2． 没有使用子网，而且没有主机支持这两个ICMP请求。
3． 所有的网关都没有正常工作（暂时的）
第一、二种情况意味着子网字段长度是0。第三种情况下没法知道其值会是什么：最安全的选择是0。 虽然很可能是错的，但这样不会阻止原来可以成功的数据传送。当网关恢复工作以后，当它收到“地址格式请求”时，就会回复，主机就可以获得正确的信息，并将自身的数据相应的调整。主机和网关不应该发送基于“猜”出的“地址格式回复”。
最后，要注意并不要求主机使用这两个ICMP协议消息来获得子网字段长度，特别是对于有稳定存储介质的主机。
3．子网路由方法 一个因特网所有主机都要面对的是怎么决定到另一台主机的路由。在有子网的情况下，这个问题只需要很小的改变。
使用子网后，路由过程就要处理两个层次。如果目标主机和源主机在同一个网络中，只需要子网间的网关来决定路由。而如果目标主机和源主机在不同的网络中，则需要网络间的网关和子网间的网关共同来决定路由。
幸运的是，许多主机可以使用“缺省”的网关作为所有路由的第一个目标，在回复ICMP主机重定向消息时再定义更多的合适的路由。但这种方法对于网关和连在多个网络中的主机来说效率太低，而应该使用路由信息交换协议。这超出了本文档的讨论范围，在没有子网的情况下也存在这个问题。
对于只连在一个网络上的主机，需要找到至少一个邻接的网关。同样，也有两个解决办法：硬编码和广播。邻接网关的问题在不使用子网时也存在，用不用子网对次问题没有影响。
但还存在另一个问题：源主机必须知道数据包是直接发送给目标主机还是要通过网关发送？也就是要知道目标主机和源主机是否在同一个物理网络上。这是路由过程中唯一一处需要知道子网的地方。事实上，如果不使用广播，这也是因特网的实现中唯一需要修改的地方。
所以，有可能不用修改就可以使用现有的方法使之支持子网<4>。这样的实现方法必须具备如下条件：
- 只给连接一个网络的主机使用，也不给网关使用。
- 使用在有广播的局域网中。
- 使用地址解析协议ARP，如[7]。
- 不需要维护和网关的连接。
在这种情况下，可以修改子网网关上的地址解析ARP服务模块，当它接收到地址解析请求时，检查数据包是否正由最佳路由传递。如果是，则将自己的硬件地址回复给源主机。源主机认为网关的地址就是目标地址，并将数据包发送给这个地址。实际上，网关将接收到这些数据包，并将之传递到目标地址。
这种方法使网关中的处理层次不是很清楚，因为通常情况下，地址解析服务器和路由表没有联系。考虑到这点，这种方法不是非常令人满意。但实现起来相当简单，而且没有显著的性能损失。问题是如果原来的网关出问题后，主机没有办法选择另一个网关。这样，一条在其他方法下可以成功的连接就断了。
不要混淆“基于地址解析协议的子网技术”和“基于地址解析协议的网桥”的简单使用。前者是基于网关能检查IP地址从而推导出路由的能力，基于显式的子网的拓扑结构。一小部分的路由功能从主机转移到网关上。而基于地址解析协议的网桥则在不知道主机地址和网络拓扑结构的条件下，知道各主机的位置。
注意：基于地址解析协议的子网技术由于广播的使用而变的复杂。地址解析服务器对目标地址是广播地址的请求作出响应。这样的请求只可能来自于不认识广播地址的主机。这将导致数据包的循环传递。如果在一个物理网络中有N个不认识广播地址的主机，那么，生存时间是T的数据包将会被重复广播T**N的时间。
