Бесклассовая адресация

Каждый IP-адрес состоит из сетевого префикса и идентификатора хоста. В системах классовой адресации IPv4 три наиболее значащих бита 32-битного адреса определяют класс сети (A, B или C), а значит — и длину префикса для unicast-сетей^[3].

Преимущество этой системы заключалось в простоте определения сетевого префикса без дополнительной информации. Недостатком стала низкая гибкость: размер выделяемых сетей редко соответствовал реальным потребностям организаций, так как существовало всего три типа блоков. Например, минимальный класс содержал 256 адресов (2⁸), что избыточно для небольших сетей, а следующий — 65 536 адресов (2¹⁶), что слишком много даже для крупных компаний; для тех, кому требовалось больше адресов, оставался только 16-миллионный блок (2²⁴).

Подобная неэффективность расходования адресного пространства, а также постоянная необходимость в агрегации множества разбросанных класс C-сетей, привела к существенным затруднениям в маршрутизации. Через десять лет после появления DNS классовая система адресации была признана не масштабируемой^[4]. Были введены механизмы подсетей и CIDR, а выделение адресных блоков стало производиться в «бесклассовом» стиле. Для поддержки новой схемы роутинга были доработаны сетевые протоколы: они стали передавать не только сами адреса, но и маски подсетей.

Внедрение CIDR потребовало поэтапной модификации программного обеспечения на каждом сетевом устройстве и узле, что стало значительным испытанием в период бурного роста Интернета. В 1993 году IETF определила новые стандарты RFC 1518 и RFC 1519, регламентирующие новые правила выделения блоков IP-адресов и маршрутизации для IPv4. В 2006 году вышла их обновлённая версия — RFC 4632^[5].

После тестирования различных подходов CIDR была основана на идее маски с переменной длиной префикса (VLSM), предложенной ещё в RFC 950^[6]. Кластеризация, как основной метод агрегирования адресных блоков, впервые была предложена Карлом-Хербертом Рокитанским^[7].^[8]

CIDR-нотация — это компактный способ одновременного указания IP-адреса и соответствующей ему сетевой маски. Она предложена Филом Карном (Phil Karn) в 1980-х годах^[9].^[10] Нотация представляет собой IP-адрес, за которым следует символ «/» и десятичное число, равное количеству начальных единиц (слева) в сетевой маске. Каждый такой бит определяет фиксированную часть адреса, общую для всех адресов данного блока. Адрес записывается в виде, принятом для IPv4 или IPv6.

Адрес может обозначать как конкретный интерфейс (например, 10.0.0.1/8), так и всю сеть (10.0.0.0/8 или 10/8). Иногда используется запись только длины префикса (например, /24 для любой подсети IPv4 с префиксом 24 бита).

Примеры:

• 198.51.100.14/24 — адрес 198.51.100.14 и его сетевой префикс 198.51.100.0 или эквивалентная маска 255.255.255.0 (24 начальных единицы).
• Блок 198.51.100.0/22 — диапазон 1024 адреса от 198.51.100.0 до 198.51.103.255.
• 2001:db8::/48 — все адреса от 2001:db8:0:0:0:0:0:0 до 2001:db8:0:ffff: ffff: ffff: ffff: ffff (IPv6).
• ::1/128 — адрес лупбэк IPv6; его префикс — 128 (все биты адреса фиксированы).

Для IPv4 CIDR-нотация стала стандартом после официального внедрения CIDR, первоначально параллельно использовалась и десятичная маска (например, 192.24.12.0/22 ≡ 255.255.252.0)^[2] Окончательное закрепление компактной записи в стандартах произошло позже,^[11].^[12] и повсеместно вошла в сетевые интерфейсы.

Число адресов в блоке вычисляется как 2^{длина_адреса − длина_префикса} (адрес — 128 бит для IPv6, 32 бита для IPv4). Пример: для префикса /29 в IPv4 — 2^32-29 = 8 адресов.

Маска подсети — это битовая маска, однозначно задающая длину префикса для IPv4-адреса в виде четырёх десятичных октетов: 32 бита, последовательность из длины префикса единиц, остальное — нули (например, 255.255.255.0 для /24). Маска подсети исторически предшествует CIDR-нотации. В CIDR префикс всегда состоит из последовательных (смежных) единиц; ранние стандарты разрешали более произвольные маски, но с RFC 4632^[5]:{{{1}}} закрепилось требование строгой непрерывности единиц и нулей.

CIDR реализует битовую адресацию с возможностью агрегирования адресов в крупные блоки по сетевому префиксу. Такие группы называются CIDR-блоками: для IPv4 задаются формой a.b.c.d/n, где n — длина общего префикса (0-32), а для IPv6 — (0-128). Чаще для иллюстраций оставляют только длину (например, /20), опуская конкретный адресной базис.

Адрес принадлежит CIDR-блоку, если n первых (старших) бит адреса и префикса совпадают. Короткие префиксы (малое n) охватывают больше адресов; длинные — меньше. В случае перекрытия блоков один адрес может попадать сразу в несколько блоков.

Тот же принцип применяется для IPv6, но длина блоков может быть до 128, а стандартно для локальных соединений в MAC-сетях резервируется 64 бита для идентификатора интерфейса^[13]. Префиксы до /127 применяются для точка-точка соединений между маршрутизаторами^[14].

Администрирование адресного пространства: IANA выделяет региональным интернет-регистрам (RIR) крупные CIDR-блоки небольшой длины префикса (например, /8 — более 16 миллионов адресов). RIR (например, европейский RIPE NCC) далее дробят эти блоки между региональными и локальными регистраторами, которые распределяют их среди конечных пользователей (сетей). Как правило, сети с одним провайдером получают адресацию от провайдера, а обслуживаемые несколькими провайдерами могут обратиться за независимым адресным блоком непосредственно в RIR.

Пример: в конце 1990-х IP-адрес 208.130.29.33 использовался сайтом www.freesoft.org. Анализ выделения адресного пространства: CIDR-префикс 208.128.0.0/11 (2 млн адресов) выделен ARIN для компании MCI Communications. Компания ARS арендовала канал у MCI и получила блок 208.130.28.0/22 (немногим более 1000 устройств). Для общедоступных серверов ARS использовала ещё меньший блок /24, одним из адресов которого был 208.130.29.33. Различные префиксы участвовали в роутинге на разных уровнях: вне сети MCI использовался маршрутизируемый блок /11, внутри сети MCI — /22, внутри сети ARS — /24.

В подсетях больше /31 или /32 число доступных адресов хоста уменьшается на два: минимальный адрес (идентифицирующий сеть) и максимальный (broadcast) резервируются^[15].^[16]

Для /31 ранее считалось невозможным использовать такие подсети (остаются оба адреса резервными), однако RFC 3021 сняла это ограничение для точка-точка соединений. Адреса /32 (один хост) требуют явных маршрутов, поскольку шлюза нет.

Большая длина IPv6-адреса позволяет сохранять достаточные резервы префиксов на каждом уровне и агрегировать маршруты по всему миру. Принятый стандартный размер подсети для IPv6 — /64, что необходимо для работы Stateless Address Autoconfiguration^[17]. Ранние рекомендации IETF (RFC 3177) советовали выдавать конечным сайтам блоки не менее /48^[18], но позднее были приняты более гибкие подходы (RFC 6177)^[19], допускающие распределение блоков и меньшего размера (например, /56 для домашних сетей).

Разным видам сетей могут быть необходимы различные размеры подсетей^[20]. Маска префикса отделяет идентификатор подсети от идентификатора интерфейса. Меньший префикс (большее число) означает большее число адресов в каждой сети; больший — меньшее их число, но больше сетей^[21].

2001:0db8:0123:4567:89ab:cdef:1234:5678
|||| |||| |||| |||| |||| |||| ||||
|||| |||| |||| |||| |||| |||| |||128     Уникальные крайние адреса и лупбэк
|||| |||| |||| |||| |||| |||| |||127   Точка-точка (маршрутизатор–маршрутизатор)
... 
|||| |||| |||| |||| |||64   Одиночная локальная сеть; стандартный префикс для SLAAC
...
|||| |||| |56   Минимальное выделение для конечных сайтов[19] (например, /56 = 256 блоков /64)
...
|||48   Типичное выделение для компаний (/48 = 65 536 блоков /64)
...
|||32   Минимальные выделения LIR
...
||12   RIR–IANA[22]
...

Множество подсетей, описываемых CIDR, образует покрытие адресного пространства. Запись X/n/ соответствует всем адресам формата [x·2^{32-n}, x·2^{32-n} + 2^{32-n} — 1] для IPv4 и [x·2^{128-n}, x·2^{128-n} + 2^{128-n} — 1] — для IPv6; здесь X кратно 2^{32-n}. При фиксированном n все такие блоки образуют разбиение адресного пространства; увеличение n приводит к более детализированному разбиению.

CIDR позволяет эффективную агрегацию префиксов: например, 16 последовательных сетей /24 с одинаковыми 20 начальными битами можно представить одной записью /20 в таблице маршрутизации, что сокращает их объём.