30, 31 or 32 —— 那些令人费解的网络前缀
故事的起源和笔者最近的一份作业有关
这件事实际上可能没那么复杂
但就是.....很反直觉
背景
站长最近考上了大学，就读于计算机网络专业，平时的专业课作业自然是和网络专业有关的。
最近一份的作业是要我们规划一个子网，也就是给定了一个/24地址块情况下，让我们规划好WAN地址，LAN地址，以及ISP内部的LAN地址。根据某位老师的说法，这份作业题还是从思科的培训资料上摘下来的，那想必也是身价不小了（
这份作业中有这么一条题目，首先是给定一个拓扑图：
然后给出一些IP的划分规定，让你根据这个规定规划子网。其中就有这么规定：
第 5 个子网为现有的 WAN，采用点到点链路。
第 6 个子网为将来的 WAN，采用点到点链路；
第 7 个子网为将来的 WAN，采用点到点链路。
这三个都直接连接到路由器上，也就是说需要给这个网络以及接口分配IP。分配IP问题不大，问题大是如何分配网络及其子网掩码？
从网上一查，得到了三个截然不同的结果：/30，/31，/32
标准的/30
首先回顾一下以太网环境下的IP地址组成规范。一般来说是，在指定的地址块里面，主机位全0的是网络号，主机位全1的是广播地址，剩下的是主机地址。假设一个地址块10.0.0.0/24，可以得知网络号10.0.0.0，广播地址10.0.0.255，剩下的是主机地址。我们日常说的可用地址就是指的主机地址。
现在考虑这么一个问题，网络前缀『最小可用』是多少？网上能查到的回答基本上都是/30，也就是说，假设一个地址块10.0.0.0/30，可得：
- 网络号：10.0.0.0
- 广播地址：10.0.0.3
- 可用地址：10.0.0.1，10.0.0.2
两个可用的主机地址，很好。如果办过运营商专线的朋友可能了解过这一点，运营商把设备接进来你的机房之后，如果指明的是/30的网络前缀，会给你四个IP地址，但是不要想太好，你能用的IP一般来说只有一个。因为网络号和广播地址和网关一人占一个地址，4-3=1，剩下的才是你的
『不能用吗？』的/31
现在我们『突破』一下这个限制，把网络前缀提到/31，会怎么样？
很多人一看这个就大喊，博主你说瞎话误人子弟啊，/31只有一个广播地址和一个网络号，没有空间给主机地址，没意义啊！
确实是这样的，但是我们不妨大胆一点，把思路放宽一些：『广播地址和网络号』是人为规定的东西。既然大家都是人为规定，那么我可不可以规定这两个地址不是广播地址和网络号，而是就是两个主机地址呢？
没错，这就是题图中的RFC3021所规定的东西。
RFC3021的标题是《Using 31-Bit Prefixes on IPv4 Point-to-Point Links》（在IPv4点对点链路中的使用31位网络前缀），发布于2000年的12月，距今已有23年，可以说，已经成为了事实上的标准。
3021尝试解决的是点对点链路（下文简称PtPL）占用IP太多的问题，正如前文所言，我们平常会假设一个二层网络就是以太网，那么『最低可用前缀』就是/30，但是/30要吃掉4个IPv4地址，怎么看怎么浪费。而在PtPL中，只有两方（所以得名点对点）在通讯，不像传统以太网那样是点对多点的，更加没有子网的概念，只要扔到线路上的东西是一定会是发给对方的，因此传统以太网中的广播地址和网络号就显得有点多余了。
/31网络前缀就解决了这个问题，让一个『块』当中只有两个地址，双方各一个，你叫Alice我叫Bob，大家都认识对方，可以互相通讯。细心的读者可能已经发现了，这个东西和传统的以太网并不是很兼容，因此3021中特别规定：
A third option is to use host addresses on both ends of a point-to- point link. This option provides the same address space savings as using a 31-bit subnet mask, but may only be used in links using PPP encapsulation [RFC1332].第三种选择是在点对点链路的两端使用主机地址。/31前缀提供的可用地址空间（与/30）大小相同，但更加节省（实际占用空间），但只能在使用 PPP 封装[RFC1332]的链路中使用。
RFC1332定义了在PPP链路上建立IP链路（IPCP）的实现，由于和本文关系不大就不贴出来了，感兴趣的不妨阅读一下。
因此不难发现，在IP over PPP链路上使用/31的子网掩码是没问题的。观察作业题目给出的图不难发现，连接两个路由器（R1-ISP和R2-Central）的线是红色闪电状的，这在思科的模拟软件中正好代表了串口，串口之上跑的一般就是PPP协议，因此我们可以放心地给这两个路由器的这两个接口分配/31的地址，对应于作业，可以自己选一个，那就是192.168.23.2/31和192.168.23.3/31
小小的题外话
如果两台路由器不是用PPP，而是用以太网互联，此时用/31会怎么样呢？
在eNSP中新建如下拓扑
然后给两个路由器相连的接口分配相应的地址
[AR1-GigabitEthernet0/0/0]ip address 10.0.0.2 31
Warning: Please be cautious when using the IP address
with 31-bit mask on non-P2P interfaces.[AR2-GigabitEthernet0/0/0]ip address 10.0.0.3 31
Warning: Please be cautious when using the IP address
with 31-bit mask on non-P2P interfaces.路由器（此时可以视为是两个主机）给出提示：在非点对点链路上使用/31前缀要小心。
但是小心归小心，暂时先不管，我们不妨Ping一下看看通不通
[AR1]ping 10.0.0.3
PING 10.0.0.3: 56 data bytes, press CTRL_C to break
Reply from 10.0.0.3: bytes=56 Sequence=1 ttl=255 time=80 ms
Reply from 10.0.0.3: bytes=56 Sequence=2 ttl=255 time=30 ms
Reply from 10.0.0.3: bytes=56 Sequence=3 ttl=255 time=20 ms
Reply from 10.0.0.3: bytes=56 Sequence=4 ttl=255 time=20 ms
Reply from 10.0.0.3: bytes=56 Sequence=5 ttl=255 time=30 ms
--- 10.0.0.3 ping statistics ---
5 packet(s) transmitted
5 packet(s) received
0.00% packet loss
round-trip min/avg/max = 20/36/80 ms很明显是通的，证明我们的配置没有问题，/31确实可以用。
但是机器不是傻子，为什么刚刚会警告我们呢？道理很简单：上面的拓扑虽然说用的是以太网，但是在物理意义上确实是点到点的，用/31没啥毛病。但如果是传统的网络拓扑（比如，交换机下连接了若干台主机），此时用/31就有可能会出现莫名其妙的行为（也就是俗称的未定义行为）。在3021中也指明了这一点：
The intent of this document is to discuss the applicability and operation of 31-bit prefixes on point-to-point links. The effects (if any) on other types of interfaces are not considered.本文档的目的是讨论/31前缀在点对点链路上的适用性和操作。对于其他类型的接口的影响（如果有）并不考虑在内
这种情况下最好还是不要去尝试了，当然试试无所谓，但别上生产，毕竟影响程度从网络不通到抽卡全歪都有可能发生，没人会给你担保未定义行为所造成的后果。
『网关竟是我自己』的/32
打开你家的路由器后台界面，切换到接口选项卡，有概率会发现：
你没看错，PPPoE拨号之后机器设定了一个/32的网络前缀，有些路由器还可能会显示此时的网关地址就是你拿到的IP地址
那么好，现在又有人问了，网关地址和自己的地址一样，那还怎么上网呢，数据不是都发给自己了嘛？
一般情况来说，是的，而且很多资料都会规定/32网络前缀只用于loopback接口。
但是能写进本文的都不太一般，还记得开头说过什么吗？这里的东西都很反直觉。事实上是，平时拨号上网所使用的PPPoE协议架构中，只有你有IP地址。
没错，现在我们没有网关，没有其他别的什么乱七八糟的东西，只有你。运营商那边帮你接进网络的东西，不叫网关，叫BRAS（宽带远程接入系统），作用很类似网关，但不能简单的等同于网关。
为了简单理解起见，我们将互联网抽象成一条总线。假设这么一个情况，从你家的电脑里面拉出了一根线，接到这根总线上，此时你的电脑是要配置IP地址，这没问题。但是你需不需要给这根线（以及接入总线的那个插头）配置IP地址呢？很显然并不必，它只是一根线。
PPP在此处就是起到了这根线的作用，本质上可以理解为你的电脑成为了远端BRAS的一个虚端口。因为是PPP，所以在这根线上只有你的电脑和BRAS，没有第三方了，你的电脑发出的任何数据，只要不是发给本机，都会从这个接口发走，而且发出去的数据一定会被对方接收，不可能发到其他第三方手上。所以此时网关地址是多少，有关系吗？没有。反正各种数据都要从这个接口出去，区不区分网关其实没啥。
另一方面，此时你发给BRAS的数据都会被转发到互联网上，你并不是在和BRAS本身通讯，或者说，你就是BARS的一部分，所以BRAS连接你的那个端口也不需要配置（通常意义上的）IP地址，只需要配置好静态路由，当电脑告诉他，我想去哪里，他就会帮你转到那里。
上面讨论的是PPP，实际用的是PPPoE。既然在（over）人家以太网的地盘上，多多少少就要听他的话。以太网是需要MAC地址来通讯的，平时我们怎么获得对端的MAC地址？用ARP协议，对吧？但是PPPoE不怎么干，他在握手阶段就首先通过二层广播方式寻找PPPoE服务器的位置，服务器收到广播包之后会按以太网规范在回复的时候带上自己的MAC地址，这样本地就知道了PPPoE服务器的地址，可以直接进行通讯了。
观察以上过程可以发现，IP完全没有插手，这也就是上面所说『只有你有IP地址』的含义。所以在PPPoE链路上可以放心的用/32网络前缀。
那么电脑怎么知道网络数据从这个接口出呢？平时我们是用路由表的，现在我们还用路由表。路由表中一个重要的参数就是『下一跳地址』，也就是网关地址。在本文所述的PPPoE环境中，因为没有网关，所以网关地址也可以随便写，但不能不写，毕竟得用来装装样子，让电脑可以自动生成一条路由，告诉IP协议栈，所有的数据都从这个接口发出。
一般来说，这条路由是
0.0.0.0 ==> x.x.x.xx.x.x.x就是你所配置的网关地址，但是正如上面所说，电脑不是傻子，当电脑看到这个IP对应的接口是一个PPPoE接口的时候，它会自动帮你把数据包封装成PPPoE然后扔出去。换句话说，这个网关地址可以理解为『在路由表上唯一地标识这个接口的标识符』，标志符是什么没关系，只要合法并且能够塞进路由表里面就行，因此，为了简便起见，设置成和本机IP一样就行了。
写在最后
实验报告末尾有一个『实验心得』的填空区。往常的话，笔者一般会实际地写一些问题，或者没有的话就写个无。写完本文之后，倒是觉得，我可以把它作为心得之一提交上去了。
深山踏红叶，耳畔闻鹿鸣，感谢您的阅读。
（全文完）