Теоретический материал, необходимый для решения задач

IP-адресация в компьютерных сетях

Для упрощения маршрутизации пакетов в сети стек протоколов TCP/IP использует логический адрес, именуемый IP-адресом. Адреса IPv4 (IP версии 4) представляют собой 32-битные номера, описывающие местоположение сетевых устройств.

IP-адрес представляет собой 32-разрядное двоичное число, записанное в виде четырех октетов, т.е. четырех групп, каждая из которых состоит из восьми двоичных знаков (нулей и единиц). Так как двоичная система основана на возведении в степень числа 2, каждая позиция в октете представляет различные степени от 2. Величина показателя степени 2 назначается каждому разряду двоичного числа, начиная с крайнего правого. Чтобы определить, чему равно двоичное число, необходимо сложить значения всех разрядов в октете.

2⁷ + 2⁶ + 2⁵ + 2⁴ + 2³+2² +2¹ +2⁰

128 + 64 + 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1 = 255

Таким образом, максимально возможное значение в каждом октете IP-адреса — 255

Например, в IP-адресе, записанном как 11000000.00000101.00100010.00001011, первый октет представляет собой двоичное число 11000000, второй октет — двоичное число 00000101, третий октет — двоичное число 00100010, четвертый октет — двоичное число 00001011

 

1 Октет (8 бит) 2 Октет (8 бит) 3 Октет (8 бит) 4 Октет (8 бит)

2⁷2⁶2⁵2⁴2³2²2¹2⁰ 2⁷2⁶2⁵2⁴2³2²2¹2⁰ 2⁷2⁶2⁵2⁴2³2²2¹2⁰ 2⁷2⁶2⁵2⁴2³2²2¹2⁰

1 1 0 0 0 0 0 0. 0 0 0 0 0 1 0 1. 0 0 1 0 0 0 1 0. 0 0 0 0 1 0 1 1

192. 5. 34. 11

 

Рассмотрим типичный IP-адрес: 193.27.61.137. Для облегчения запоминания IP-адрес обычно выражают рядом чисел в десятичной системе счисления, разделенных точками. Но компьютеры хранят его в двоичной форме. Например, тот же IP-адрес в двоичном коде будет выглядеть так: 11000001.00011011.00111101.10001001.

IP-адрес состоит из двух логических частей – идентификатора (или номера) сети (Network ID) и идентификатора (или номера) узла в сети (Host ID). Так же, как все квартиры в одном доме в своём адресе должны иметь одинаковый номер дома и уникальный для этого дома номер квартиры, так и каждый узел одной сети должен иметь одинаковый Network ID и уникальный Host ID.

Маршрутизаторы используют IP-адреса сетей (Network ID) для пересылки сообщений от одной сети к другой.

IP-адрес сети состоит из номера сети и нулей во всех разрядах, относящихся к номеру узла (рисунок 4.1).

Если в поле номера узла, записанного в двоичной системе счисления, стоят только единицы (в десятичной СС это будет выглядеть как 255), то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам в сети с заданным номером сети. Например, пакет с адресом 192.168.21.255 будет доставлен всем узлам сети три 192.168.21.0 (рисунок 4.1). Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast).

Рисунок 4.1 – Network ID у всех узлов внутри одной локальной сети всегда одинаковый

Запись IP-адреса не предусматривает специального разграничительного знака между Network ID и Host ID. Каким же образом маршрутизаторы выделяют из адреса назначения номер сети, чтобы по нему определить дальнейший маршрут?

Классы IP-адресов

Принадлежность IP-адреса к какому либо классу определяется значениями нескольких первых битов адреса. Это разделение диапазонов называется правилом первого октета.

На рисунке 4.2 показана структура IP-адреса разных классов. Назначение IP-адресов классам называется классовой адресацией.

В адресах класса А для обозначения сетевого адреса используется только первый октет (8 бит) 32-битного числа. Остальные 3 октета 32-битного числа используются для адресации хостов.

В адресах класса А первый бит всегда имеет значение «0». А значит наименьший номер сети класса А – 00000000 (десятичный 0), а наибольший адрес класса А – 01111111 (десятичное число 127). Однако эти два числа, 0 и 127, зарезервированы и не могут использоваться в качестве сетевых адресов. Любой адрес, который начинается со значения от 1 до 126в первом октете 32-битного номера является адресом класса А.

Рисунок 4.2 –

Классы IP-адресов

 

В адресах класса В для задания сетевого адреса используется два из четырёх октетов (16 бит). Остальные два октета определяют адрес хостов. Первые два бита первого октета в адресах класса В всегда равны двоичному числу 10. Двоичное число 10 в начале первого октета гарантирует, что пространство адресов класса В не накладывается на адреса класса А. Остальные 6 битов первого октета могут быть заполнены значениями 1 или 0. Следовательно, наименьший номер, который может представлять адрес класса В, равен 10000000 (десятичное число 128), а наибольший – 10111111(десятичное число 191). Любой адрес, который начинается со значения в диапазоне от 128 до 191 в первом октете, является адресом класса В.

В адресах класса С первые 3 октета (24 бита) определяют сетевую часть адреса, оставшийся октет резервируется для хостов. Адреса класса С начинаются с двоичного числа 110. Следовательно, наименьший номер, который может представлять адрес класса С, равен 11000000 (десятичное число 192), а наибольший – 11011111 (десятичное число 223). Если адрес содержит в первом октете значение в пределах от 192 до 223, он относится к классу С.

Любой маршрутизатор сможет прочесть первый октет IP-адреса и интерпретировать биты, чтобы отличить сетевые адреса от адресов хостов.

IP-адрес с двоичными нулями во всех хостовых битах является адресом сети. Например, для сети класса А IP-адрес 88.0.0.0 является адресом сети, внутри которой находится хост B с IP-адресом 88.1.2.3 (рисунок 2.1). IP-адрес 129.122.0.0 является примером адреса сети класса В. Например, устройствоА внутри сети 129.122.0.0 может иметь IP-адрес 129.122.16.2. В этом примере 129.122 является сетевой частью адреса, а 16.2 – хостовой.

Для передачи данных на все устройства в определённой сети используется широковещательный адрес. Все хостовые биты в широковещательном IP-адресе заполняются двоичными единицами. В сети из предыдущего примера (129.122.0.0) для широковещательной рассылки всем устройствам данной сети используется адрес назначения 129.122. 255.255.

Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом клас­са D.

В то время как адреса классов А, В, и С используются для идентификации отдельных машин, то есть являются индивидуальными адресами (unicast address), адреса класса D являются групповыми (multicast address) и идентифицируют группу сетевых интерфейсов. Интерфейс, входящий в группу получает наряду с обычным индивидуальным адресом ещё один групповой адрес. Если при отправке пакета в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должен быть доставлен всем узлам, входящим в данную группуmulticast.

Если адрес начинается с последовательности 11110, то это значит, что данный адрес относится к классу Е. Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений.

Таблица 4.1 – Характеристики IP-адресов разного класса

Класс Сети	Диапазон значений первого октета в двоичном виде	Значения адреса в десятичной записи	Возможное кол-во сетей	Возможное количество узлов в сети
A	от 00000001 -… до 01111110-…	от 1.хх.xx.xx до 126.хх.хх.хх		2^24(16777214)
B	от 1000000-00000000-…до 1011111-11111111-…	от 128.0.хх.хх до 191.255.хх.хх		2^16(65534)
C	от 1100000-00000000-0000000…до 1101111-11111111-1111111…	от 192.0.0.хх до 223.255.255.хх		2^8(254)
D	от 1110000 -… до 1110111-…	от 224.хх.хх.хх до 239.хх.хх.хх	-	Multicast
E	от 1111000 -…до 1111111-…	от 240.хх.хх.хх до 255.хх.хх.хх	-	Зарезервирован

Понятно, что адреса класса A предназначены для использования в очень больших сетях общего пользования (например, национальных). Класс B может найти применение в сетях крупных провайдеров или компаний. Небольшим провайдерам, или сетям, приходится иметь дело в основном с сетями класса C, которые позволяют адресовать 254 узла. Адреса класса D используются для распространения в Интернете или в большой корпоративной сети аудио- или видеопрограмм, адресованных сразу большой аудитории слушателей или зрителей (IPTV). А дреса класса E зарезервированы для использования в экспериментальных целях.

Уже сравнительно давно наблюдается дефицит IP-адресов. Очень трудно полу­чить адрес класса В и практически невозможно стать обладателем адреса класса А. При этом надо отметить, что дефицит обусловлен не только ростом сетей, но и тем, что имеющееся множество IP-адресов используется нерационально. Очень часто владельцы сети класса С расходуют лишь небольшую часть из имеющихся у них 254 адресов.

Для смягчения проблемы дефицита адресов разработчики стека TCP/IP пред­лагают разные подходы. Принципиальным решением является переход на новую версию IPv6, в которой резко расширяется адресное пространство за счет исполь­зования 16-байтных адресов. Однако и текущая версия IPv4 поддерживает некото­рые технологии, направленные на более экономное расходование IP-адресов. Из-за проблемы дефицита адресов классовая модель IP-адресов сейчас почти не используется, проблема решается при использовании масок.

4.3 Маски IP-адресов

Для опре­деления границы, отделяющей номер сети от номера узла, реализуются два под­хода. Первый основан на понятии класса адреса, второй — на использовании масок.

Класс адреса определяется значениями нескольких первых бит адреса (рисунок 4.2). Другой способ определения, какая часть адреса является номером сети, а какая номером узла, основан на использовании маски.

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, а на позициях, соответствующих номеру узла, размещаются нули.

Например, первый байт адреса 129.122.16.2 попадает в диапазон 128-191, мы можем сказать, что этот адрес относится к классу В, а значит, номером сети являются первые два байта, дополненные двумя нулевыми байтами — 129.23.0.0, а номером узла — 0.0.16.2.

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 распространён в сфере IP-маршрутизации. С их помощью администратор может разбить одну выделенную ему поставщиком услуг сеть на несколько других, не требуя от него дополнительных номеров сетей, — эта операция называется разделением на подсети.

Технология безклассовой междоменной маршрутизации (Classless Inter Domain Routing - CIDR ) основана на использовании масок для более гибкого распределения адресов и более эффективной маршрутизации. Она допускает произвольное распределение IP-адреса на поле для номера сети и поле для номера узлов. При такой системе адресации клиенту может быть выдан пул адресов, более точно соответствующий его запросу, чем это происходит при адресации на основе классов.

Предположим, в локальной сети, подключаемой к Интернету, находится 2000 компьютеров. Каждому из них требуется выдать IP-адрес. Для получения необходимого адресного пространства нужны либо 8 сетей класса С, либо одна сеть класса В. Сеть класса В вмещает 65534 адреса, что много больше требуемого количества. При общем дефиците IP-адресов такое использование сетей класса В расточительно. Однако, если мы будем использовать 8 сетей класса С, возникает следующая проблема: каждая такая IP-сеть должна быть представлена на маршрутизаторах, потому что с точки зрения маршрутизаторов – это 8 абсолютно никак не связанных между собой сетей, маршрутизация пакетов в которые осуществляется независимо, хотя, фактически, эти IP-сети и расположены в одной физической локальной сети и маршруты к ним идентичны.

С другой стороны, нет никаких формальных причин проводить границу сеть – хост (узел) в IP-адресе именно по границе октета. Это было сделано исключительно для удобства представления IP-адресов и разбиения их на классы. Если выбрать длину сетевой части в 21 бит, а на номер хоста отвести соответственно 11 битов, мы получим сеть, адресное пространство которой содержит 2048 (2¹¹) IP-адресов, что максимально точно соответствует поставленному требованию. Это будет одна сеть, определяемая своим уникальным 21-битовым номером, следовательно, для ее обслуживания потребуется только одна запись в маршрутной таблице.

Единственная проблема, которую осталось решить: как определить, что на сетевую часть отведен 21 бит? В случае классовой модели, старшие биты IP-адреса определяли принадлежность этого адреса к тому или иному классу, и, следовательно, количество битов, отведенных на номер сети.

В случае адресации вне классов, с произвольным положением границы сеть – хост внутри IP-адреса, к IP-адресу прилагается 32-битовая маска, которую называют маской сети (netmask) или маской подсети (subnet mask).