Адресация в IP-сетях. Типы адресов стека ТСР/ IP.

 

В стеке ТСР/ IP используются три типа адресов:

- локальные, или аппаратные, адреса, используемые для адресации узлов в пределах подсети;

- сетевые, или IP-адреса, используемые для однозначной идентификации узлов в пределах всей составной сети;

- доменные имена – символьные идентификаторы узлов, к которым часто обращаются пользователи.

В общем случае сетевой интерфейс может иметь одновременно один или несколько сетевых адресов, а также одно или несколько доменных имен.

В терминологии ТСР/ IP под определением «локальный» понимается – действующий не во всей составной сети, а лишь в пределах подсети», то есть понятие «локальный адрес» означает адрес, который используется некоторой локальной технологией для адресации узлов в пределах подсети, являющейся элементом составной интерсети.

Поскольку аппаратный (локальный) адрес идентифицирует узел в пределах подсети, а подсеть использует одну из базовых технологий LAN-Ethernet, FDDI, Token Ring – то для доставки данных любому узлу такой подсети достаточно указать MAC-адрес.

МАС-адрес (Media Access Control – управление доступом в физическую среду – стандарты IEEE) назначается сетевым адаптером и сетевым интерфейсом маршрутизаторов. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байт, например, 11-АО-17-3D-BC-01.

В составную сеть ТСР/IР могут входить подсети, построенные на основе более сложных технологий, к примеру, технологии IРХ/SРХ. Эта сеть сама может быть разделена на подсети, и, так же как IР-сеть, она идентифицирует свои узлы аппаратными и сетевыми IРХ-адресами. Но поскольку для составной сети ТСР/IР составная сеть IРХ/SРХ является обычной подсетью, в качестве аппаратных адресов узлов этой подсети выступают те адреса, которые однозначно определяют узлы в данной подсети, то есть адресами IРХ-адреса. Аналогично, если в составную сеть ТСР/ IP включена сеть Х.25, то локальными адресами для протокола IP соответственно будут адреса Х.25.

IP-адреса представляют собой основной тип адресов, на основании которых сетевой уровень передает пакеты между сетями. Эти адреса состоят из 4 байт, например, 109.26.17.100. IP-адрес назначается администратором при конфигурировании компьютеров и маршрутизаторов. Он состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно либо назначен по рекомендации специального подразделения Интернета (Internet Network Information Center – InterNIC), если сеть должна работать как составная часть Интернета.

Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей, поэтому каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP-адрес. Конечный узел также может входить в несколько IP-сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

Символьные имена в IP-сетях называются доменными и строятся по иерархическому признаку. Составляющие полного символьного имени в IP-сетях разделяются точкой и перечисляются в следующем порядке: сначала простое имя хоста, затем имя группы узлов (например, имя организации), затем имя более крупной группы (поддомена) и так до имени домена самого высокого уровня (например, домена, объединяющего организации по географическому признаку; RU – Россия, UK – Великобритания, SU – США). Примером доменного имени может служить имя base2.sales.zil.ru. Между доменным именем и IP-адресом узла нет никакой функциональной зависимости (нет алгоритмического

соответствия), поэтому необходимо использовать другой способ установления соответствия в виде дополнительных таблиц или служб, чтобы узел сети однозначно определялся как по доменному имени, так и IP-адресу. В сетях ТСР/ IP используется распределенная служба доменных имен (Domain Name System – DNS), которая устанавливает это соответствие на основании создаваемых администраторами сети таблиц соответствия. Поэтому доменные имена называют DNS-именами.

Формы записи IP-адресов.

Формы записи IP-адреса могут быть различны. IP-адрес имеет длину 4 байта (32 бита) и состоит из двух частей – номера сети и номера узла в сети. Наиболее употребляемой формой представления IP-адреса является запись в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме и разделенных точками, например: 128.10.2.30.

Этот же адрес может быть представлен в двоичной форме: 10000000.00001010.00000010.00011110.

А также в шестнадцатеричном формате: 80.ОА.02.1D.

Заметим, что запись адреса не предусматривает специального разграничительного знака между номером сети и номером узла. Каким образом маршрутазаторы, на которые поступают пакеты, выделяют из адреса назначения номер сети, чтобы по нему определить дальнейший маршрут? Какая часть из 32 бит, отведенных под IP-адрес, относится номеру сети, и какая – к номеру узла? Можно предположить несколько вариантов решения этой задачи.

Простейший из них состоит в том, что все 32-битовое поле адреса заранее делится на две части необязательно равной, но фиксированной длины, в одной из которых всегда будет размещаться номер сети, а в другой – номер узла. Но такой подход не позволяет дифференцированно подходить к потребностям отдельных предприятий и организаций, и не нашел широкого применения.

Другой подход основан на использовании «маски», которая позволяет максимально гибко устанавливать границу между номером сети и номером узла. В данном случае «маска» - это число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит последовательность единиц в тех разрядах, которые должны в IP-адресе интерпретироваться как номер сети. Граница между последовательностью единиц и последовательностью нулей в маске соответствует границе между номером сети и номером узла в IP-адресе.

Традиционный способ решения данной проблемы заключается в использовании «классов». Этот способ представляет собой компромисс по отношению к двум выше описанным: размеры сетей хотя и не являются произвольными, как при использовании масок, но и не являются одинаковыми, как при установлении фиксированных границ. Вводится несколько классов сетей, и для каждого класса определены свои размеры. Схема деления IP-адреса на номер сети и номер узла и основана на понятии класса, который определяется значениями нескольких первых битов адреса. На рис. 37 показана структура IP-адреса различных классов.

Если адрес начинается с 0, то этот адрес относится к классу «А», в котором под номер сети отводится один байт, а остальные три байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети, имеющие номера в диапазоне от 1 (00000001) до 126 (01111110), называются сетями класса «А». номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей. Сетей класса «А» немного, зато количество узлов в них может достигать 2²⁴, то есть 16777216 узлов.

Если первые два бита адреса равны 10, то адрес относится к классу «В». В адресах класса «В» под номер сети и номер узла отводится по два байта (по 16 бит). Сети, имеющие номера в диапазоне от 128.0 (10¹⁶) до 191.255 (1011111111111111) называются сетями класса «В». Таким образом, сетей класса «В» больше, чем сетей класса «А», но размеры их меньше, максимальное количество узлов в них составляет 2¹⁶ (65536).

Если адрес начинается с последовательности битов 110, то это адрес класс «С». В этом случае под номер сети отводится 24 бита, а под номер узлов – 8 бит. Сети класса «С» наиболее распространены, но число узлов в них ограничено значением 2⁸ (256) узлов.

Если адрес начинается с последовательности битов 1110, то это адрес класса «D», который обозначает особый, групповой адрес – multicast. Групповой адрес идентифицирует группу узлов (сетевых интерфейсов), которые в общем случае могут принадлежать разным сетям. Если при отправке пакета в качестве адреса назначения указан адрес класса «D», то такой пакет должен быть доставлен всем узлам, которые входят в группу.

Если адрес начинается с последовательности битов 11110, то это значит, что данный адрес относится к классу «Е». Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений. На рис. 38 приведены диапазоны номеров сетей и максимальное число узлов, соответствующих каждому классу сетей.

Большие сети получают адреса класса «А», средние – класса «В», а небольшие – класса «С».

Особые IP-адреса означают следующую интерпретацию IP-адресов:

- если весь IP-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет (этот режим используется только в некоторых сообщениях ICMP);

если в поле номера сети стоят только нули, то считается, что узел назначения принадлежит той же сети, что и узел, который отправил пакет;

Рис. 37 Структура IP-адресов

Класс	Первые биты	Наименьший номер сети	Наибольший номер сети	Максимальное число узлов в сети
А		1.0.0.0	126.0.0.0	2^24
B		128.0.0.0	191.255.0.0	2^16
C		192.0.0.0	223.255.255.0	2^8
D		224.0.0.0	239.255.255.255	Multicast
E		240.0.0.0	247.255.255.255	Зарезервирован

Рис. 38 Характеристики адресов разного класса

- если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться по всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast);

- если в поле номера узла назначения стоят только единицы, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Например, пакет с адресом 192.190.21.255 доставляется всем узлам сети 192.190.21.0. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast).

Использование масок при IP-адресации позволяет более гибко устанавливать границу между номером сети и номером узла и отказаться от понятий классов адресов.

Маска – это число, которое используется в паре с IP-адресом, двоичная запись маски содержит единицы в тех разрядах, которые в IP-адресе должны интерпретироваться как номер сети. Поскольку номер сети является цельной частью адреса, единицы в маске также должны представлять непрерывную последовательность. Например, если адрес 185.23.44.206 ассоциировать с маской 255.255.255.0, то номер сети будет 185.23.44.0, а не 185.23.0.0, как это определено системой классов.

В масках количество единиц в последовательности, определяющей границу номера сети, не обязательно должно быть кратным 8, чтобы повторять деление адреса на байты. Пусть, например, для IP-адреса 129.64.134.5 указана маска 255.255.128.0, то есть в двоичном виде IP-адрес 129.64.134.5 выглядит так: 10000001, 01000000, 1000110, 00000101.

А маска 255.255.128.0 так: 11111111, 11111111, 10000000, 00000000.

Если игнорировать маску, то в соответствии с системой классов адрес 129.64.134.5 относится к классу «В», а значит, номером сети являются первые два байта – 129.64.0.0, а номером узла – 0.0.134.5.

Если же использовать для определения границы номера сети маску, то 17 последовательных двоичных единиц в маске 255.255.128.0, «наложенные» на IP-адрес, делят его на следующие две части.

	№ сети	№ узла
IP-адрес 129.64.134.5	10000001.01000000.1	0000110.00000101
Маска 255.255.128.0	11111111.11111111.1	0000000.00000000

 

В десятичной форме записи номер сети – 129.64.128.0, а номер узла – 0.0.6.5.

Для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:

- класс «А» - 11111111.00000000.00000000.00000000 (255.0.0.0);

- класс «В» - 11111111.11111111.00000000.00000000 (255.255.0.0);

- класс «С» - 11111111.11111111.11111111.00000000 (255.255.255.0).

Механизм масок широко распространен в IP-маршрутизации, причем маски могут использоваться для самых разных целей. С их помощью администратор может разбивать свою сеть на несколько других, не требуя от поставщика услуг дополнительных номеров сетей (операция subnetting). На основе этого же механизма поставщики услуг могут объединять адресные пространства нескольких сетей путем введения так называемых «префиксов» с целью уменьшения объема таблиц маршрутизации и повышения за счет этого производительности маршрутизаторов – такая операция называется subnetting.

Поскольку IP-адреса уникально идентифицируют узел в пределах составной сети, поэтому они назначаются централизованно. Если сеть небольшая и автономная, то уникальность IP-адресов в пределах этой сети может обеспечена администратором сети. При этом он может выбирать для нумерации сетей и узлов любые синтаксически правильные IP-адреса. Если сеть очень велика, как, например, Интернет, то процесс назначения IP-адресов становится сложным и разбивается на два этапа. Первый – распределение номеров сетей – регулируется специальным административным органом (в Интернете это ICAN), обеспечивающим однозначность нумерации сетей. После того как сеть получила номер, наступает второй этап – назначение номеров узлам сети. Назначение IP-адресов узлами сети может происходить вручную – администратор сети сам ведет списки свободных и занятых адресов и конфигурирует сетевой интерфейс, либо автоматически – с использованием протокола DHEP через сервер, который автоматически выделяет адреса узлам в ответ на поступающие запросы.

Одной из главных задач, которая ставилась при создании протокола IP, являлось обеспечение совместной согласованной работы в сети, состоящей из подсетей, в общем случае использующих разные сетевые технологии. Очевидно, что для того, чтобы частная технология подсети смогла доставить пакет на следующий маршрутизатор, необходимо:

- во-первых, упаковать пакет в кадр соответствующего для данной подсети формата (например, Ethernet);

- во-вторых, снабдить кадр адресом, формат которого был бы понятен локальной технологии подсети (преобразовать, например, IP-адрес в МАС-адрес (управление доступом в физическую среду, стандарт IEEE, Media Access Control)). Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адресов (Address Resolution Protocol – APP). Он позволяет определять адреса сетевых адаптеров узлов, расположенных в одной физической сети.

Протокол разрешения адресов реализуется различным образом в зависимости от того, какой протокол канального уровня работает в данной сети – протокол локальной сети (Ethernet, Token Ring, FDDI) с возможностью широковещательного доступа одновременно ко всем узлам сети или же какой-либо из протоколов глобальной сети (Х.25, frame relay), которые, как правило, не поддерживают широковещательный доступ.

Рассмотрим работу протокола ARP в сетях с широковещанием. Протокол ARP всегда сначала ищет адреса IP и сетевого адаптера в КЭШ-памяти (память блокнотного типа) перед формированием широковещательного ARP-запроса.