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事件惹的祸,IP公约栈简介

来源:http://www.ruibiaowang.com 作者:基础资源运维 人气:159 发布时间:2019-11-19
摘要:北京时间2014年8月12日下午4点钟开始,全世界的网络突然都变慢了一点点。 互联网由一整套协议构成,自上而下而下可以分为如下4层: 不幸的是,接下来还可能又会慢下去。并且,这

北京时间2014年8月12日下午4点钟开始,全世界的网络突然都变慢了一点点。

互联网由一整套协议构成,自上而下而下可以分为如下4层:

不幸的是,接下来还可能又会慢下去。并且,这一回错的真的不是你,是世界。

  • Application
    应用层协议封装了网络通信的数据包。
  • TCP
    TCP协议用于保证数据通信的完整性和可靠性,防止丢包。
  • IP
    Internet Protocol,规定了多个局域网如何通信。
  • Ethernet
    以太网协议,规定了电子信号如何组成数据包(packet),解决了子网内部(即局域网)的点对点通行。

错在哪呢?路由规则太多,溢出了。

IP协议定义了一套自己的地址规则,称为IP地址。它实现了路由功能,允许某个局域网的A主机向另一个局域网的B主机发送信息。

不够用的地址

你很可能见过譬如192.168.1.1这样的数字串,这样的数字就是所谓的“IP地址”。这是你平常访问的那些网站的“真实地址”,当你输入www.guokr.com(这叫“域名”)的时候,网络会把它转换成真正的地址111.13.57.142,然后才能找到这个网站在哪里。如果这个转换系统(也就是所谓的“DNS”)出了问题,那网络就要出问题——不过不是这次这种问题,打住。

常见的IP地址里的数字是有规定的:四个数字,每个可以从0到255,这被称为“IPv4”(互联网协议第四版)。那么一共就会有2^32次方个不同的地址,也就是将近43亿。

……好像不是很多的样子。都不够一人分一个呢。

而且这43亿地址还有不少是保留的,比如所有以9开头的原则上都是IBM的,12开头的都是AT&T的,17开头的则是苹果的,18开头的归麻省理工……没办法,谁叫人家抢得早。有些厚道的组织,比如斯坦福,本来占据了所有36开头的,现在正把多余的地址拿出来回馈社会,但人并不都这么好心啊。

图片 12012年4月一次IPv4地址普查显示的使用情况,黑色代表没有数据,其他颜色代表使用率。由于调查方法问题,实际占用率肯定会比图中看起来更高。图片来源:Internet Census 2012 

所以那帮技术人员实在太目光短浅了?这还真不是,IPv4协议诞生于1981年,早在80年代末他们就预料到了这个不够用的问题,可是新一代协议IPv6——可以提供3.4×10^38个地址——直到1998年才出台。

技术人员终于克服了拖延症,接下来?当然是剩下所有人开始犯拖延症。IPv6到现在整整十六年过去了,互联网上使用IPv6的人数嘛——大概4%吧。(该数值基于访问google的人统计,考虑到中国这个神奇国度的存在,真实数字绝对更低。)

图片 2The ISP Column发布的IPv6使用用户占各国用户的比例图(2013年6月)。别被颜色骗了,像法国那么绿,其实不过5.46%。好玩的是,用户比例最高的竟然是罗马尼亚,10.84%。

IP地址包含网络号和主机号,IPv4协议规定的IP地址由32位二进制数组成,每8位一段,用十进制表示每段地址,可以表示的范围为0.0.0.0~255.255.255.255。IPv6协议规定的IP地址由128位二进制数组成,可以表示更多的网络与主机,目前IPv4能够表示的IP地址即将使用殆尽,不久的将来会被IPv6取代。

耍花招的后果

为了推迟IPv4挤爆的同时又不去辛辛苦苦换新协议,我们在抓紧时间利用每一点残存的IP空间碎片。以前大手大脚一整块几万地址分给一个组织的好日子一去不复返了,就连一小撮256个地址都要寸土必争。

但是这对路由器来说就辛苦了。路由器依靠一个名为“路由表”的东西来快速找到方向,每一个机构拿到一段IP之后都会希望在路由表里加一句规则来加快自己的访问速度。但是每一条规则都要占据同样大小的空间,所以网上的地址越碎,需要的路由表就越大。

路由表是个很重要的东西,所以路由器会专门留出一块高速存储器来存它。譬如某款路由器足够存一百万个条目,想来应该是足够了吧!而且眼看IPv6必将征服市场,我留一半(512k)给v4,另一半给v6,怎么说都没问题吧!事实上大部分路由器生产商都想当然认为512k足够用了,都给v4留了这么多,算是行业标准。

不幸的是,对于互联网碎片化的程度,他们显然(又)低估了。

多年的增长已经让路由表突破了50万大关,而在8月12日,美国通信公司Verizon又一口气往v4路由表里加了15000个条目,使总数抵达了约515000个,超过了上限(相比之下,v6还只有可怜的2万个条目)。这些多出来的信息必须存在更慢的普通存储器里,导致了速度变慢甚至局部网络不稳定。Verizon很快发现了这个问题并把多出来的条目削了回去,但是余波至少持续了数小时。这个事件就是所谓的“512k”事件,也许就是你那天觉得网络慢了的元凶。

但这不是问题的结束,只是开始。怎么说路由表都是肯定要自然增长的,没有这些公司乱搞也早晚会自己超过这个数字。而这些问题都出在路由器这个实打实的东西上,换路由器可是要花钱的。

诚然,我们可以继续拆东墙补西墙,来一次广泛的固件升级,把更多的快速存储器留给v4;而代价可想而知,就是进一步削减了留给v6的空间。要是早用v6取代v4,IP地址够用的话,现在就不会出现地址碎片化、路由表过大的问题了嘛!不过考虑到ie6顽强生存了13年到现在没有消失,连百利无一害的纯软件更新都做不到,好像也不应该对人类抱太大希望才对。

事实上,想想之前人们还以为内存640k就足够,两位数字存储年份就足够,32位储存秒数就足够,现在又一个想当然的上限被突破带来了麻烦,简直就是理所应当的事情嘛。(编辑:Ent)

图片 3当然,早晚有一天IPv6也会用光,那时候嘛……

本文写作过程中得到了Philip_Tzou的大力帮助,特此致谢。

IPv4地址分类

  • A类:
第一段为网络号:0000 0000 - 01111111(0-127),后三段为主机号
网络数:126(0.0.0.0表示所有网络,127.x.x.x表示本地回环地址)
各网络主机数:2^24-2
默认子网掩码:255.0.0.0,也可表示为:/8
#子网掩码用于与IP地址按位进行“与”运算,计算其网络地址
私网地址:10.0.0.0/255.0.0.0
  • B类:
前两段为网络号:10 00 0000 - 10 11 1111(128-191),后两段为主机号
网络数:2^14
各网络主机数:2^16-2
默认子网掩码:255.255.0.0,也可以表示为:/16
私网地址:172.16.0.0-172.31.0.0  
  • C类:
前三段为网络号:110 0 0000 - 110 1 1111(192-223),最后一段为主机号
网络数:2^21
各网络主机数:2^8-2
默认子网掩码:255.255.255.0,  /24
  • D类:组播
1110 0000 - 1110 1111:224-239
  • E类:科研
1111 0000 - 1111 1111:240-255

路由

路由是把数据从源地址经过网络传输到目标地址的过程,它包括2个主要动作:选择路径、数据传输。

路由器(Router)是一种负责寻径的网络设备,它通过路由表为数据传输选择最佳路径。路由表包含网络地址以及各地址之间距离的清单,路由器使用最少时间算法或最优路径算法来调整信息传递的路径。

路由表可以静态指定,也可以动态学习(基于rip2, ospf等协议)。路由表中的路由条目描述了目标地址、下一跳(nexthop)。目标地址可以分为主机路由、网络路由、默认路由(0.0.0.0/0.0.0.0),主机路由表示局域网中的主机,网络路由表示不同的局域网。

网关

网关(Gateway)就是一个网络连接到另一个网络的“关口”,它负责不同网络之间的通信。TCP/IP协议里的网关是其中的一种,实质上是一个网络通向其他网络的IP地址,此IP地址上的设备必须具有路由功能,这些设备有:路由器、启用路由协议的服务器、代理服务器。

比如如果网络A(192.168.1.0)中的主机向网络B(192.168.2.0)中的主机发送数据,因为两个主机不在同一网络,所以数据包会被转发给A的网关,再由网关转发给网络B的网关,网络B的网关再转发给网络B中的主机。

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