13. Адресация в ip. Маршрутизация.

В отличие от физических (MAC) адресов, формат которых зависит от конкрет­ной сетевой технологии, IP-адрес любого узла сети представляется 32-разряд­ным двоичным числом. Соответствие IP-адреса узла его физическому адресу внутри сети (подсети) устанавливается динамически посредством широковеща­тельных запросов ARP-протокола. При написании IP-адрес состоит из четырех чисел в диапазоне 0-255, пред­ставляемых в двоичной, восьмеричной, десятичной или шестнадцатеричной сис­теме счисления и разделяемых точками.

Адрес состоит из префикса —сетевой части (n), общей для всех узлов данной сети, ихост-части(h), уникальной для каждого узла. Соотношение размеров ча­стей адреса определяется в зависимости от принятого способа адресации, кото­рых сменилось уже три поколения.

Изначально (1980 г.) было определено разделение на основе класса (classfuladdressing) и допускались три фиксированных размера префикса — 1, 2 или 3 байта. Они соответствовали классу сети, однозначно определяемому значения­ми старших бит адреса. В табл. приведена структура адресов пяти классов се­тей. Сети классаDпредназначены для группового (multicast) вещания, здесь хост-часть адреса отсутствует, аn...nпредставляет идентификатор группы. Класс Е обозначен как резерв для будущих применений.

Класс сети		1 байт	2 байт		3байт		4 байт		Число сетей		Число узлов в сети
А		0nnnnnnn	hhhhhhhh		hhhhhhhh		hhhhhhhh		126.		16 млн.
В		10nnnnnn	hhhhhhhh		hhhhhhhh		hhhhhhhh		16 тыс.		65 тыс.
С		110nnnnn	nnnnnnnn	nnnnnnnn		hhhhhhhh		2млн.		254
D		1110nnnn	nnnnnnnn	nnnnnnnn		nnnnnnnn		256 млн.		Не огрничено
Е	11110nnn		nnnnnnnn	nnnnnnnn		nnnnnnnn		128 млн.		Резерв

Позже (1985 г., RFC950) было введено деление на подсети (subnetting) отно­сительно произвольных размеров. Адрес подсети (s) использует несколько стар­ших бит, отводимых при стандартной классовой разбивке под хост-часть адреса. Например, структура адреса в сети класса С может иметь следующий вид:

Впоследствии (1993 г., RFC1519) был принят «внеклассовый» подход к определению длины префиксаclasslessaddressingилиsupernetting—CIDR(ClasslessInter-DomainRouting). Здесь длина префикса произвольна, что позво­ляет наиболее гибко распределять адресное пространство.

Комбинации из всех нулей или всех единиц (первый и последний номера) в префиксе и/или хост-части зарезервированы под широковещательные сообще­ния и служебные цели: Нулевой адрес не используют. Нулевой префикс означает принадлежность получателя к (под)сети от­правителя. Нулевая хост-часть адреса в старых протоколах обмена маршрутной ин­формацией (RIP) означает, что передается адрес (под)сети. Единицы во всех битах адреса означают широковещательность рассылки пакета всем узлам (под)сети отправителя (limitedbroadcast— ограничен­ное широковещательное сообщение). Единицы во всех битах хост-части (префикс ненулевой и неединичный) означают широковещательность (broadcast) рассылки пакета всем узлам (под)сети, заданной сетевой частью адреса (префиксом). Адреса 127.х.х.х зарезервированы для отладочных целей. Пакет, послан­ный протоколом верхнего уровня по любому из этих адресов (обычно ис­пользуют 127.0.0.1), по сети не распространяется, а сразу поступает вверх по протокольному стеку того же узла (loopback). При записи адреса иногда применяют форму, в которой последний элемент указывает длину префикса в битах. Так, например, адрес сети стандартного клас­са С может выглядеть в десятичном представлении как 199.123.456.0/24, а адрес 199.123.456.0/28 определяет уже подсеть с числом хостов 14.

Три варианта адресации различаются в плане информации, которая необхо­дима маршрутизатору. При классовой организации, кроме адреса, никакой до­полнительной информации не требуется, поскольку положение префикса фик­сировано. Протокол RIPсетевой маршрут(networkroute) распознавал по нулевой хост-части; адрес, у которого в хост-части есть хоть один единичный бит, определялмаршрут узла(hostroute). При определении подсетей требуется до­полнительная информация о длине префикса. При переходе на подсети было принято соглашение о том, что адресация внешних («чужих») сетей выполняет­ся по классовому признаку, а локальные маршрутизаторы, работающие с подсе­тями, получают значение масок при ручной настройке. Появилась новая катего­рия —подсетевой маршрут(subnetworkroute). Протоколы маршрутизации, поддерживающие подсети поRFC950 (например,RIP), «не понимают» комби­наций префиксов и адресов подсетей, пересекающих границы стандартных клас­сов. Так, например, подсеть 210.22.74/23 недопустима, поскольку она распро­страняется на две сети класса С: 210.22.74.0 и 210.22.75.0. Кроме того,RIPне позволяет одну сеть делить на подсети разных размеров (длина префиксов всех подсетей в пределах «классовой» сети должна быть единой).Новые протоколы обмена маршрутной информации, поддерживающие пре­фиксы произвольного размера (OSPF), обмениваются полной информацией, включающей 32-битный адрес и длину префикса. При этом остается единствен­ный тип маршрутов —префиксный(prefixroute). В настоящее время распространена форма задания префикса в видемаски (под)сети. Маска представляет собой 32-битное число, представляемое по об­щим правилам записи IP-адреса, у которого старшие биты, соответствующие префиксу, имеют единичное значение, младшие (локальная хост-часть) — нуле­вые. Маски могут принимать значения из ограниченного списка, приведенного в табл. 2.3. Перед ненулевым байтом маски могут быть только значения 255, пос­ле байта, отличного от 255, — только нули. Адресом (под)сети можно считать адрес любого ее узла с обнуленными бита­ми хост-части. В десятичном представлении диапазоны адресов и маски сетей стандартных классов имеют следующие значения:

• Класс А: 1.0.0.0-126.0.0.0, маска 255.0.0.0.

• Класс В: 128.0.0.0-191.255.0.0, маска 255.255.0.0.

• Класс С: 192.0.0.0-223.255.255.0, маска 255.255.255.0.

• Класс D: 224.0.0.0-239.255.255.255, маска 255.255.255.255.

• Класс Е: 240.0.0.0-247.255.255.255, маска 255.255.255.255.

Деление на сети носит административный характер — адреса сетей, входящих в глобальную сеть Интернет, распределяются централизованно организацией In­ternet NIC (Internet Network Information Center). Деление сетей на подсети мо­жет осуществляться владельцем адреса сети произвольно. При использовании масок техническая грань между сетями и подсетями практически стирается. Для частных сетей, не связанных маршрутизаторами с глобальной сетью, выделены специальные адреса сетей: Класс А:10.0.0.0 (1 сеть). Класс В: 172.16.0.0-172.31.0.0 (16 сетей). Класс С:192.168.0.0-192.168.255.0 (256 сетей).

IP-адреса и маски назначаются узлам при их конфигурировании вручную или автоматически с использованием DHCP- или BootP-серверов. Ручное на­значение адресов требует внимания — некорректное назначение адресов и масок приводит к невозможности связи по IP, однако с точки зрения надежности и безопасности (защиты от несанкционированного доступа) оно имеет свои пре­имущества.

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) — протокол, обеспечивающий автоматическое динамическое назначение IP-адресов и масок подсетей для уз­лов-клиентов DHCP-сервера. Адреса вновь активированным узлам назначаются автоматически из области адресов (пула), выделенных DHCP-серверу. По окон­чании работы узла его адрес возвращается в пул и в дальнейшем может назначать­ся для другого узла. Применение DHCP облегчает инсталляцию и диагностику для узлов, а также снимает проблему дефицита IP-адресов (реально отнюдь не все клиенты одновременно работают в сети).

Протокол BootPвыполняет аналогичные функции, но использует статическое распределение ресурсов. При инициализации узел посылает широковещатель­ный запрос, на который BootP-сервер ответит пакетом с IP-адресом, маской, а также адресами шлюзов (gateways) и серверов службы имен (nameservers). Эти данные хранятся в списке, составленном по МАС-адресам клиентов BootP, хра­нящимся на сервере. Естественно, что по отключении узла его IP-адрес не может быть использован другими узлами.

Маршрутизация. Разделение на сети (подсети) служит основой для маршрутизации пакетов, пере­даваемых по сети. ТерминRouting —маршрутизация — означает передачу дейтаг­раммы от одного узла к другому. При посылке IP-дейтаграммы узел сравнивает (логическая операция «исключающее ИЛИ») IP-адрес назначения со своим IP-ад­ресом и накладывает (логическое «И») на результат маску подсети. Ненулевое значение результата этой операции является указанием на необходимость пере­дачи пакета из подсети во внешнюю сеть.Direct Routing —прямая маршрутизация — осуществляется между узлами од­ной (под)сети. В этом случае источник знает конкретный физический (MAC) адрес получателя и инкапсулирует IP-дейтаграмму в кадр сети, содержащий этот адрес и непосредственно передающийся по сети получателю. Список соответст­вияIP- и МАС-адресов узлов обычно формируется хостом динамически с помо­щью протоколаARP(AddressResolutionProtocol). Для получения МАС-адреса интересующего узла (в пределах подсети) хост посылает кадр с широковеща­тельным МАС-адресом, в который вкладывает запрос, содержащий IP-адрес ин­тересующего узла. На этот запрос отзовется узел с IP-адресом, совпадающим с соответствующим полем запроса. В кадре ответа будет присутствовать его МАС-адрес, который и будет занесен в ARP-таблицу. ARP-запрос формируется узлом в том случае, когда ему нужно передать пакет по адресу, отсутствующему в его локальной таблице. Если ответ на ARP-запрос не будет получен, то пакет, который должен был быть передан, аннулируется. Возможно и статическое формирование таблиц, которое необходимо для тех технологий, в которых нет широковещательной адресации (например, соединение через РРР).Indirect routing —непрямая маршрутизация — передача дейтаграмм между уз­лами различных (под)сетей. Обнаружив расхождение немаскированной (сете­вой) части IP-адресов, источник посылает кадр с IP-дейтаграммой по физиче­скому адресу маршрутизатора (его адрес узнается вышеописанным способом). Маршрутизатор анализирует IP-адрес назначения полученной дейтаграммы и в зависимости от адресов прямо подключенных к нему (под)сетей посылает дей­таграмму либо прямо по физическому адресу узла назначения, либо к следующе­му маршрутизатору.Маршрутизатор(router) представляет собой устройство, имеющее один или несколько интерфейсов (портов) для подключения локальных сетей или удален­ных соединений. Каждому физическому интерфейсу ставится в соответствие одна или несколькоIР-(под)сетей, узлы которых имеют с ним непосредствен­ную связь (на 1-2-м уровне моделиOSI). Маршрутизатор обеспечивает межсе­тевую передачу пакетов между узлами (хостами и другими маршрутизаторами) доступных ему подсетей. Передачи могут быть как между разными интерфейса­ми, так и между подсетями, расположенными на одном и том же интерфейсе (без маршрутизатора их узлы друг друга «не видят», хотя и «слышат»). Возможны маршрутизаторы даже с одним физическим интерфейсом, их иногда называют«однорукими маршрутизаторами». В терминологии TCP/IP маршрутизатор относится к шлюзам (gateway), и в каждом проходящем пакете он должен декрементировать полеTTL(по приходе пакета, а затем каждую секунду пребывания пакета в маршрутизаторе). Маршрутизатор для своей работы должен иметьтаблицу маршрутизации,в которой содержится информация об IP-адресах и масках (под)сетей, подключен­ных к каждому его порту, а также список соседних маршрутизаторов. Список не­посредственно доступных маршрутизаторов должен быть и в каждом узле. За­полнение этих таблиц может осуществляться как динамически (например, с помощью протоколаRIPилиOSPF), так и статически (вручную). Статическое заполнение таблиц — довольно хлопотное занятие, но зато оно позволяет избе­жать «взломов» сети с помощью подстановки нелегальных маршрутизаторов.

На маршрутизаторы возлагается и задача фильтрации — пропускания паке­тов, удовлетворяющих только определенным критериям, или/и наоборот, непро­пускания определенных пакетов. Фильтрация может осуществляться по различ­ным признакам, относящимся к протоколам разных уровней. Естественно, что сложные схемы фильтрации требуют определенных ресурсов маршрутизатора (память под таблицы, процессорное время на обработку пакетов). IP-маршрутизаторы характеризуются производительностью (число пакетов в секунду), задержкой (временем обработки пакета), способом обмена маршрут­ной информацией (RIP,OSPF), возможностями фильтрации, поддержкой груп­пового вещания (IGMP), типом и количеством интерфейсов. Маршрутизатор может быть отдельным устройством, возможна также реали­зация его функций и сетевой операционной системой конечных узлов (серве­ров). Возложение функций маршрутизатора, особенно фильтрации, на сервер значительно нагружает его. Кроме того, в этом случае появляются ограничения, не свойственные IP-протоколу. Например, серверNetWareЗ.х - 4.х (и не только этих ОС) не позволяет на одной интерфейсной карте сконфигурировать более одной IP-подсети.