Протоколы IP v4, IP v6, TCP, UDP.

IPv4 занимается маршрутизацией в сетях, т.е. он направляет пакет по пути от отправителя до получателя. IP-протокол посылает данные дейтограммами. Каждая такая дейтаграмма, кроме передаваемых данных, содержит в себе и заголовок. Обычно заголовок содержит 20 октетов, т.е. имеет длину 20 байт, но эта длина может варьироваться, что отнюдь не упрощает процесс передачи данных.

Для IP-протокола версии 4 каждый узел TCP/IP определяется логическим IP-адресом. IP-адрес - это адрес сетевого уровня, не зависящий от адреса уровня канала данных (например, MAC-адреса сетевого адаптера). Уникальный IP-адрес требуется для каждого узла и компонента сети, который соединяется по протоколу TCP/IP, и его можно назначить вручную или с помощью протокола DHCP.

Каждый IP-адрес включает идентификатор сети и идентификатор сетевого узла.

· Идентификатор сети (также называется сетевым адресом) определяет системы, расположенные в одной физической сети, ограниченной IP-маршрутизаторами. Все системы в одной физической сети должны иметь одинаковый сетевой идентификатор, уникальный для всей сети.

· Идентификатор сетевого узла (также называется адресом сетевого узла) определяет рабочую станцию, сервер, маршрутизатор или другой TCP/IP-узел в сети. Адрес сетевого узла должен быть уникальным для сетевого идентификатора.

IP-адрес состоит из 32 бит.

Общие недостатки протокола IPv4:

1. дефицит адресного пространства - количество различных устройств, подключаемых к сети Internet, растет экспоненциально, размер адресного пространства 2³² быстро истощается;

2. слабая расширяемость протокола - недостаточный размер заголовка IPv4, не позволяющий разместить требуемое количество дополнительных параметров в нем;

3. проблема безопасности коммуникаций - не предусмотрено каких-либо средств для разграничения доступа к информации, размещенной в сети.

4. отсутствие поддержки качества обслуживания - не поддерживается размещение информации о пропускной способности, задержках, требуемой для нормальной работы некоторых сетевых приложений;

5. проблемы, связанные с механизмом фрагментации - не определяется размер максимального блока передачи данных по каждому конкретному пути;

6. отсутствие механизма автоматической конфигурации адресов;

7. проблема перенумерации машин.

Поля IP-адресов содержат IP-адреса отправителя и получателя. В IPv4 IP-адрес состоит из 4 байт и часто представляется в виде 4 чисел, размером 1 байт, разделяемые точками, что даёт чуть больше 4 миллиардов различных адресов. В такой схеме каждый компьютер в Интернет имеет свой уникальный адрес. "транжирка" IP-адресов привела к тому, что их пространство начало заканчиваться и ощущаться нехватка. Близился тот день, когда 32-битное пространство адресов исчерпает себя, что приведёт к остановке развития Интернета. Хотя и были предприняты меры решения этой проблемы (например технологии выделения блоков по 2 адреса и технология раздачи динамичных IP-адресов DHCP, а так же NAT, позволяющая транслировать IP-адреса из внешней сети во внутреннюю), всё равно, "финал" удалось лишь отсрочить. При нынешних темпах роста Интернета, не розданные пока адреса закончатся к 2018 году, а 32-битное IP-пространство исчерпается в 2040 году. Проблема адресного пространства IPv4 считается основной, но она не главная и не единственная.

Есть также проблемы связанные с транспортировкой данных, заключающиеся в сложности маршрутизации и, следовательно, разрастании таблиц маршрутизации. Хоть эту проблему и пытались решить введением бесклассовой междоменной маршрутизацией (CIDR), всё равно она этим не разрешилась, зато IP-администрирование от этого усложнилось. Всё же трудно построить и упорядочить структуру адресов в 32битном пространстве. Затем, сложность обработки IP-загаловка. Существенное число полей, которое он содержит не облегчает жизнь процессам, обрабатывающим такие заголовки. Некоторые поля заголовка уже потеряли свою значимость, а другие возможно существенно упростить. Также переменная длинна заголовка заставляет постоянно пересчитывать контрольную сумму, а при высоких скоростях это сильно загрузит процессор.

Также, в IPv4 отсутствуют некоторые механизмы, необходимые по современным меркам. Это механизмы информационной безопасности и средства поддержки классов обслуживания. Отсутствуют методы шифрования данных, которые сейчас очень пригождаются. А такие средства должны быть реализованы именно на сетевом уровне, чтобы не напрягать этим приложения. Обеспечить поддержку классов обслуживания должны опять же маршрутизаторы, связывающие системы, чтобы эта задача не вылезала на уровень приложения, что приведёт опять же к усложнению и нестабильности работы.

Реализовывать эти механизмы на IPv4 дополнительно - пустая трата времени. Всё равно придётся для этого вносить изменения в весь стек TCP/IP, что приведёт к некоторому усложнению работы, связанному с переходом на новый стандарт. Зачем тогда при этом оставлять неустранимые пороки IPv4, если можно реализовать всё сразу с помощью IPv6?

IPv6 (англ. Internet Protocol version 6) - протокол сетевого уровня, поддерживающий адреса в целых 128 бит, а это в четыре раза больше, чем адрес, используемый предыдущей версией протокола (IPv4). Таким образом, адресное пространство нового протокола в 7.9 10²⁸ раз больше — адресов хватит.

Пакеты состоят из управляющей информации, необходимой для доставки пакета адресату, и полезных данных, которые требуется переслать. Управляющая информация делится на содержащуюся в основном фиксированном заголовке, и содержащуюся в одном из необязательных дополнительных заголовков. Полезные данные - дейтаграмма или фрагмент протокола более высокого транспортного уровня, но могут быть и данные сетевого уровня (например ICMPv6), или же канального уровня (например OSPF).

IPv6-пакеты обычно передаются с помощью протоколов канального уровня, таких как Ethernet, который инкапсулирует каждый пакет в кадр. Но IPv6-пакет может быть передан с помощью туннельного протокола более высокого уровня, например в 6to4 или Teredo

Существуют различные типы адресов IPv6: одноадресные (Unicast), групповые (Anycast) и многоадресные (Multicast).

Адреса типа Unicast хорошо всем известны. Пакет, посланный на такой адрес, достигает в точности интерфейса, который этому адресу соответствует.

Адреса типа Anycast синтаксически неотличимы от адресов Unicast, но они адресуют группу интерфейсов. Пакет, направленный такому адресу, попадёт в ближайший (согласно метрике маршрутизатора) интерфейс. Адреса Anycast могут использоваться только маршрутизаторами.

Адреса типа Multicast идентифицируют группу интерфейсов. Пакет, посланный на такой адрес, достигнет всех интерфейсов, привязанных к группе многоадресного вещания.

Широковещательные адреса IPv4 (обычно xxx.xxx.xxx.255) выражаются адресами многоадресного вещания IPv6.

Адреса IPv6 отображаются как восемь групп по четыре шестнадцатеричные цифры, разделённые двоеточием. Большое количество нулевых групп может быть пропущено с помощью двойного двоеточия (fe80::200:f8ff:fe21:67cf). Такой пропуск должен быть единственным в адресе.

UDP предоставляет прикладным процессам транспортные услуги, которые не многим отличаются от услуг, предоставляемых протоколом IP. Протокол UDP обеспечивает ненадежную доставку датаграмм и не поддерживает соединений из конца в конец. Другими словами, его пакеты могут быть потеряны, продублированы или прийти не в том порядке, в котором они были отправлены. К заголовку IP-пакета он добавляет два поля, одно из которых, поле "порт", обеспечивает мультиплексирование информации между разными прикладными процессами, а другое поле - "контрольная сумма" - позволяет поддерживать целостность данных. Примерами сетевых приложений, использующих UDP, являются NFS и SNMP.

Формат сообщений UDP

Единица данных протокола UDP называется UDP-пакетом или пользовательской дейтаграммой. UDP-пакет состоит из заголовка и поля данных, в котором размещается пакет прикладного уровня. Заголовок имеет простой формат и состоит из четырех двухбайтовых полей:

· Поле source port - номер порта процесса-отправителя.

· Поле destination port - номер порта процесса-получателя.

· Поле message length - длина UDP-пакета в байтах.

· Поле checksum - контрольная сумма UDP-пакета.

Не все поля UDP-пакета обязательно должны быть заполнены. Например, если посылаемая дейтаграмма не предполагает ответа, то на месте адреса отправителя могут помещаться нули.