Протоколы межсетевого уровня

IP (Internet Protocol) - основной протокол стека TCP/IP, реализующий передачу пакетов по IP-сети от узла к узлу. Протокол IP:

а) не гарантирует:

· доставку пакетов,

· целостность пакетов,

· сохранение порядка потока пакетов;

б) не различает логические объекты (процессы), порождающие поток данных.

Эти задачи решают протоколы транспортного уровня TCP и UDP, реализующие различные режимы доставки данных. В отличие от IP протоколы транспортного уровня различают приложения и передают данные от приложения к приложению.

В настоящее время на смену протоколу IP версии 4 (IPv4) приходит протокол версии 6 (IPv6).

ICMP (Internet Control Message Protocol) – межсетевой протокол управляющих сообщений, используемый в основном для передачи сообщений об ошибках и исключительных ситуациях, возникших при передаче данных, а также выполняющий некоторые сервисные функции. ICMP-сообщения генерируются при нахождении ошибок в заголовке IP пакета, при отсутствии маршрута к адресату, а также используются маршрутизаторами для обновления записей в таблице маршрутизации отправителя и для управления скоростью отправки сообщений отправителем. ICMP-сообщения инкапсулируются в IP пакеты. ICMP является неотъемлемой частью IP, но при этом не делает протокол IP средством надёжной доставки сообщений. Для этих целей существует протокол TCP.

IGMP (Internet Group Management Protocol) – протокол управления группами Интернета, предназначенный для управления групповой (multicast) передачей данных в IP-сетях версии 4 (IPv4). IGMP используется маршрутизаторами и IP-узлами для организации групп сетевых устройств, а также для поддержки потокового видео и онлайн-игр, обеспечивая эффективное использование сетевых ресурсов.

ARP (Address Resolution Protocol – Протокол разрешения адресов) предназначен для определения физического адреса устройства (MAC-адреса) по его IP-адресу.

RARP (Reverse Address Resolution Protocol – Протокол обратного определения адреса) предназначен для определения IP-адреса устройства по его физическому адресу (MAC-адресу).

RIP (Routing Information Protoсol) – протокол маршрутизации типа DVA, реализующий алгоритм обмена информацией о доступных сетях и расстояниях до них путём периодической рассылки широковещательных пакетов.

OSPF (Open Shortest Path First) – протокол маршрутизации типа LSA, реализующий алгоритм обмена информацией о состоянии каналов, путём периодического тестирования состояния каналов с соседними маршрутизаторами. Протокол OSPF разработанный для применения в сети Интернет и используется в других больших сетях (NetWare, SNA, XNS, DECNet).

Протоколы канального уровня («сетевой интерфейс»)

SLIP (Serial Line IP) – первый стандарт канального уровня для выделенных линий, разработанный специально для стека протоколов TCP/IP, который благодаря простоте может использоваться как для коммутируемых, так и для выделенных каналов. SLIP поддерживается только протоколом сетевого уровня IP.

HDLC (High-level Data Link Control Procedure) – высокоуровневый протокол управления каналом – стандарт ISO для выделенных линий, представляющий собой семейство протоколов LAP (Link Access Protocol). HDLC относится к бит-ориентированным протоколам.

PPP (Point-to-Point Protocol) – протокол двухточечного соединения, пришедший на смену протоколу SLIP и построенный на основе формата кадров протоколов семейства HDLC с дополнением собственных полей. РРР является стандартным протоколом Интернета и так же, как протокол HDLC, представляет собой семейство протоколов.

Архитектурная концепция Internet. Адресация в IP-сетях. Сетевые IP-адреса. Специальные, автономные и групповые IP-адреса. Использование масок для IP-адресов. Распределение IP-адресов.

Архитектурная концепция Internet

Структура сети Internet может быть представлена как множество компьютеров, называемых хостами, подключенных к некоторой единой интерсети, представляющей собой совокупность физических сетей, называемых подсетями, соединенных маршрутизаторами. В качестве подсетей могут выступать локальные сети, работающие под управлением некоторых аппаратно зависимых протоколов (Ethernet, Token Ring), или коммуникационные системы произвольной физической природы (модемные коммутируемые или выделенные линии, сети X.25, Frame Relay, FDDI, ATM и др.). При этом все функции протокола IP выполняют хосты и маршрутизаторы, называемые узлами сети.

Основным протоколом стека TCP/IP является протокол IP, который обеспечивает:

· негарантированную доставку пакетов, т.к. передаваемые по сети пакеты могут быть утеряны, дуплицированы, задержаны, доставлены с нарушением порядка;

· дейтаграммную доставку без установления соединения, то есть каждый пакет представляет собой обрабатываемый независимо от других блок данных, причем последовательно исходящие от отправителя пакеты могут распространяться по различным путям в сети, менять порядок и даже теряться;

· максимально возможную доставку пакетов в том смысле, что потеря пакета происходит лишь в той ситуации, когда протокол не находит никаких физических средств для его доставки.

Адресация в IP-сетях

В стеке протоколов TCP/IP используются три типа адресов:

· физические (локальные) адреса, используемые для адресации узлов в пределах подсети, например: МАС-адреса, если подсеть использует технологии Ethernet, Token Ring, FDDI, или IPX-адреса, если подсеть на основе технологии IPX/SPX;

· сетевые (IP-адреса), используемые для идентификации узлов в пределах всей составной сети (подсети);

· доменные имена – символьные идентификаторы узлов, которыми оперируют пользователи.

Сетевые IP-адреса

Наличие трёх уровней адресации в IP-сетях требует применения процедур преобразования адресов разных уровней для установления соответствия между ними. Эти процедуры реализуются соответствующими протоколами, преобразующими адреса одного типа в другой.

Наиболее удобными для пользователей являются доменные имена, называемые также доменными адресами. Маршрутизация передаваемых данных в сети выполняется на основе сетевых адресов. В то же время, все устройства в компьютерной сети однозначно идентифицируются уникальными адресами канального уровня, в частности МАС-адресами в локальных сетях Ethernet и Token Ring.

Преобразование адресов в IP-сетях осуществляется в соответствии со схемой, представленной на рис.4.37. Ниже подробно рассматриваются протоколы преобразования доменных адресов в сетевые и обратно с использованием протокола DNS и преобразование сетевых адресов в физические и обратно, реализуемое протоколами ARP и RARP соответственно.

IP-адрес – идентификатор сетевого соединения (сетевого интерфейса). Это означает, что один и тот же компьютер, соединенный с двумя сетями, имеет два IP-адреса: сеть 1 идентифицирует его по адресу IP1, а сеть 2 – по адресу IP2.

IP-адреса представляют собой 32-битовые идентификаторы, ориентированные на решение основной задачи протокола IP-маршрутизации. Для удобства представления IP-адресов используется цифровое их написание в виде десятичного представления 4 байт, разделенных точками, например: 192.171.153.60.

Первоначально в Интернете была принята так называемая классовая адресация. Все IP-адреса разделены на 5 классов (от А до Е), представленных на рис.4.39, но практическое применение находят в основном три первых класса: A, B и С. Класс D предназначен для задания группового адреса, а класс Е – не используется (зарезервирован для последующего использования).

IP-адрес состоит из двух полей: поле «Номер сети», представляющий собой адрес физической сети (подсети), и поле «Номер узла», выделяющий в этой подсети конкретное устройство (хост).

Признаком принадлежности адреса к определённому классу служат первые биты адреса: если первый бит равен 0, то адрес принадлежит классу А, если первый бит равен 1, а второй – 0, то адрес принадлежит классу В и т.д.

Принадлежность адреса к тому или иному классу определяет размер сети (табл.4.4):

· класс А соответствует большой сети с максимальным числом узлов (224 – 2) = 16 777 214;

· класс В соответствует средней сети с числом узлов до 65534;

· класс С соответствует малой сети с числом узлов до (28–2)=254.

Отметим, что максимальное количество узлов в сети определяется количеством двоичных разрядов n, отводимых под номер узла: N max = 2 n - 2, то есть исключаются два номера:

· нулевой (все разряды равны 0); адрес с нулевым значением номера узла означает адрес сети;

· единичный (все разряды равны 1); адрес с единичными значениями номера узла является широковещательным и означает передачу пакета всем узлам сети.

IP-адрес построен таким образом, чтобы поля «Номер сети» и «Номер узла» можно было бы выделить быстро, что особенно сказывается на эффективности маршрутизации (малые временные затраты на выделение адреса «Номер сети»).

Поскольку IP-адрес идентифицирует сетевое соединение, а не узел, то отсюда вытекает принципиальное ограничение: если компьютер переносится из одной подсети в другую, он должен обязательно изменить IP-адрес.