Вопрос 9,10

Еще одной проблемой, которую нужно учитывать при объединении трех и более компьютеров, является проблема их адресации, точнее адресации их сетевых интерфейсов. Один компьютер может иметь несколько сетевых интерфейсов. Например, для создания полносвязной структуры из N компьютеров необходимо, чтобы у каждого из них имелся N-1 интерфейс.

По количеству адресуемых интерфейсов адреса можно классифицировать следующим образом:

• уникальный адрес (unicast) используется для идентификации отдельных интерфейсов;

• групповой адрес (multicast) идентифицирует сразу несколько интерфейсов, поэтому данные, помеченные групповым адресом, доставляются каждому из узлов, входящих в группу;

• данные, направленные по широковещательному адресу (broadcast), должны быть доставлены всем узлам сети;

• в новой версии протокола IPv6 определен адрес произвольной рассылки (anycast), который, так же как и групповой адрес, задает группу адресов, однако данные, посланные по этому адресу, должны быть доставлены не всем адресам данной группы, а любому из них.

Адреса могут быть числовыми (например, 129.26.255.255 или 81.1a.ff.ff) и символьными(site.domen.ru, willi-winki).

Символьные адреса (имена) предназначены для запоминания людьми и поэтому обычно несут смысловую нагрузку. Для работы в больших сетях символьное имя может иметь иерархическую структуру, например ftp-arch1.ucl.ac.uk. Этот адрес говорит о том, что данный компьютер поддерживает ftp-архив в сети одного из колледжей Лондонского университета (University College London - ucl) и эта сеть относится к академической ветви (ac) Интернета Великобритании (United Kingdom - uk). При работе в пределах сети Лондонского университета такое длинное символьное имя явно избыточно и вместо него можно пользоваться кратким символьным именем ftp-arch1. Хотя символьные имена удобны для людей, из-за переменного формата и потенциально большой длины их передача по сети не очень экономична.

Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой схемы адресации, называется адресным пространством.

Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) организацию (рис. 1) или иерархическую организацию (рис. 2).

Рис. 1 – Плоская организация адресного пространства

При плоской организации множество адресов никак не структурировано. Примером плоского числового адреса является MAC-адрес, предназначенный для однозначной идентификации сетевых интерфейсов в локальных сетях. Такой адрес обычно используется только аппаратурой, поэтому его стараются сделать по возможности компактным и записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного числа, например 0081005e24a8. При задании MAC-адресов не требуется выполнение ручной работы, так как они обычно встраиваются в аппаратуру компанией-изготовителем, поэтому их называют также аппаратными адресами (hardware addresses). Использование плоских адресов является жестким решением – при замене аппаратуры, например, сетевого адаптера, изменяется и адрес сетевого интерфейса компьютера.

Рис. 2 – Иерархическая организация адресного пространства

При иерархической организации адресное пространство организовано в виде вложенных друг в друга подгрупп, которые, последовательно сужая адресуемую область, в конце концов, определяют отдельный сетевой интерфейс.

В показанной на рис. 2 трехуровневой структуре адресного пространства адрес конечного узла задается тремя составляющими: идентификатором группы (K), в которую входит данный узел, идентификатором подгруппы (L) и, наконец, идентификатором узла (n), однозначно определяющим его в подгруппе. Иерархическая адресация во многих случаях оказывается более рациональной, чем плоская. В больших сетях, состоящих из многих тысяч узлов, использование плоских адресов приводит к большим издержкам – конечным узлам и коммуникационному оборудованию приходится оперировать таблицами адресов, состоящими из тысяч записей. В противоположность этому иерархическая система адресации позволяет при перемещении данных до определенного момента пользоваться только старшей составляющей адреса (например, идентификатором группы K), затем для дальнейшей локализации адресата задействовать следующую по старшинству часть (L) и в конечном счете – младшую часть (n).

Типичными представителями иерархических числовых адресов являются сетевые IP- и IPX-адреса. В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть – номер сети и младшую – номер узла. Такое деление позволяет передавать сообщения между сетями только на основании номера сети, а номер узла используется после доставки сообщения в нужную сеть; точно так же, как название улицы используется почтальоном только после того, как письмо доставлено в нужный город.

На практике обычно применяют сразу несколько схем адресации, так что сетевой интерфейс компьютера может одновременно иметь несколько адресов-имен. Каждый адрес задействуется в той ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее удобен. А для преобразования адресов из одного вида в другой используются специальные вспомогательные протоколы, которые называют протоколами разрешения адресов.

Пользователи адресуют компьютеры иерархическими символьными именами, которые автоматически заменяются в сообщениях, передаваемых по сети, иерархическими числовыми адресами. С помощью этих числовых адресов сообщения передаются из одной сети в другую, а после доставки сообщения в сеть назначения вместо иерархического числового адреса используется плоский аппаратный адрес компьютера. Проблема установления соответствия между адресами различных типов может решаться как централизованными, так и распределенными средствами.

При централизованном подходе в сети выделяется один или несколько компьютеров (серверов имен), в которых хранится таблица соответствия имен различных типов, например символьных имен и числовых адресов. Все остальные компьютеры обращаются к серверу имен с запросами, чтобы по символьному имени найти числовой номер необходимого компьютера.

При распределенном подходе каждые компьютер сам хранит все назначенные ему адреса разного типа. Тогда компьютер, которому необходимо определить по известному иерархическому числовому адресу некоторого компьютера его плоский аппаратный адрес, посылает в сеть широковещательный запрос. Все компьютеры сети сравнивают содержащийся в запросе адрес с собственным. Тот компьютер, у которого обнаружилось совпадение, посылает ответ, содержащий искомый аппаратный адрес. Такая схема использована в протоколе разрешения адресов (Address Resolution Protocol, ARP) стека TCP/IP.

Достоинство распределенного подхода в том, что в этом случае не нужно выделять специальный компьютер, который к тому же часто требует ручного задания таблицы соответствия адресов. Недостатками его является необходимость широковещательных сообщений, перегружающих сеть. Именно поэтому распределенный подход используется в небольших сетях, а централизованный – в больших.

До сих пор мы говорили об адресах сетевых интерфейсов, компьютеров и коммуникационных устройств, однако конечной целью данных, пересылаемых по сети, являются не сетевые интерфейсы или компьютеры, а выполняемые на этих устройствах программы – процессы. Поэтому в адресе назначения наряду с информацией, идентифицирующей интерфейс устройства, должен указываться адрес процесса, которому предназначены посылаемые данные. Очевидно, что достаточно обеспечить уникальность адреса процесса в пределах компьютера. Примером адресов процессов являются номера портов TCP и UDP, используемые в стеке TCP/IP.

Три основных класса IP-адресов

Адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса:

• Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже).

• Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В. В сетях класса В под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.

• Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.

• Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.

• Если адрес начинается с последовательности 11110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.

Класс А

0

N сети

N узла

Класс В

1

0

N сети

N узла

Класс С

1

1

0

N сети

N узла

Класс D

1

1

1

0

N сети

N узла

Класс Е

1

1

1

1

0

N сети

N узла

В таблице приведены диапазоны номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.

Класс	Наименьший адрес	Наибольший адрес
A	01.0.0.0	126.0.0.0
B	128.0.0.0	191.255.0.0
C	192.0.1.0	223.255.255.0
D	224.0.0.0	239.255.255.255
E	240.0.0.0	247.255.255.255

Соглашения о специальных адресах: broadcast, multicast, loopback

В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов:

• если IР-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет;

  0 0 0 0 ................................... 0 0 0 0

• если в поле номера сети стоят 0, то по умолчанию считается, что этот узел принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет;

  0 0 0 0 …....0 Номер узла

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

  1 1 1 1 .........................................1 1

• если в поле адреса назначения стоят сплошные 1, то пакет, имеющий такой адрес рассылается всем узлам сети с заданным номером. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast);

  Номер сети 1111................11

• адрес 127.0.0.1 зарезервирован для организации обратной связи при тестировании работы программного обеспечения узла без реальной отправки пакета по сети. Этот адрес имеет название loopback.

Уже упоминавшаяся форма группового IP-адреса - multicast - означает, что данный пакет должен быть доставлен сразу нескольким узлам, которые образуют группу с номером, указанным в поле адреса. Узлы сами идентифицируют себя, то есть определяют, к какой из групп они относятся. Один и тот же узел может входить в несколько групп. Такие сообщения в отличие от широковещательных называются мультивещательными. Групповой адрес не делится на поля номера сети и узла и обрабатывается маршрутизатором особым образом. В протоколе IP нет понятия широковещательности в том смысле, в котором оно используется в протоколах канального уровня локальных сетей, когда данные должны быть доставлены абсолютно всем узлам. Как ограниченный широковещательный IP-адрес, так и широковещательный IP-адрес имеют пределы распространения в интерсети - они ограничены либо сетью, к которой принадлежит узел - источник пакета, либо сетью, номер которой указан в адресе назначения. Поэтому деление сети с помощью маршрутизаторов на части локализует широковещательный шторм пределами одной из составляющих общую сеть частей просто потому, что нет способа адресовать пакет одновременно всем узлам всех сетей составной сети.

Публичные и приватные IP адреса

Некоторые сети соединяются друг с другом через Интернет, в то время как другие являются приватными.

Публичные IP адреса

Интернет-стабильность зависит непосредственно от уникальности публично используемых сетевых адресов. Поэтому, необходим некоторый механизм, гарантирующий, что адреса уникальны. В Европе существует орган по надзору за присвоением адресов Интернета RIPE NCC - Европейский центр распределения адресного пространства. RIPE NCC управляет распределением адресов IP так, чтобы гарантировать, что дублирование публично используемых адресов не происходит. В других регионах существуют аналогичные организации: APNIC - Азиатско-Тихоокеанский Центр сетевой информации; ARIN - Американская Регистрация адресов Интернет. С быстрым ростом Интернета, Публичные адреса IP начали заканчиваться.

Приватные адреса IP

В то время как интернет-хосты требуют глобально уникального IP адреса, хосты, которые не связаны с Интернетом, могут использовать любой правильный адрес уникальный в пределах частной сети. В 1994, IETF предложил использовать блок IP адресов мог для частных сетей. Приватные сети, которые нуждались в IP, не требуя обеспечения связи с Интернетом, могли просто использовать адреса из этого блока IP адресов для частного использования. Три блока адресов IP (одна Сеть класса A, 16 сетей Класса В, и 256 сетей Класса С) определялись для частного, внутреннего использования. Адреса в этом диапазоне не сети Интернет. Интернет-маршрутизаторы сконфигурированы, чтобы отказаться от частных адресов. Когда сеть, используя Приватные адреса должна соединиться с Интернетом, необходимо перевести Приватные адреса в открытые адреса. Этот процесс называется трансляцией адресов.

Класс сети	Диапазон приватных адресов
A	10.0.0.0 – 10.255.255.255
B	172.16.0.0 – 172.31.255.25
C	192.168.0.0. – 192.168.255.255

Распределение адресов IPv4

Двадцать лет назад, IPv4 предложил стратегию адресации, которая в конечном счете привела к неэффективному распределению адресов. Адреса классов A и В составляет 75 процентов адресного пространства IPv4, но относительная маленькая горстка организаций (меньше чем 17 000) может получить сети класса A или В. Адреса сети класса С являются намного более многочисленными чем адреса классов A и В, хотя они составляют только 12.5 процентов из возможных 4 миллиардов IP адресов. К сожалению, адреса Класса С ограничены 254 хостами.

Протокол IPv.6

Технология стека TCP/IP сложилась в основном в конце 1970-х годов и с тех пор основные принципы работы базовых протоколов, таких как IP, TCP, UDP и ICMP, практически не изменились. Однако, сам компьютерный мир за эти годы значительно изменился, поэтому долго назревавшие усовершенствования в технологии стека TCP/IP сейчас стали необходимостью.

Основными обстоятельствами, из-за которых требуется модификация базовых протоколов стека TCP/IP, являются следующие.

• Повышение производительности компьютеров и коммуникационного оборудования. За время существования стека производительность компьютеров возросла на два порядка, объемы оперативной памяти выросли более чем в 30 раз, пропускная способность магистрали Internet в Соединенных Штатах выросла в 800 раз.

• Появление новых приложений. Коммерческий бум вокруг Internet и использование ее технологий при создании intranet привели к появлению в сетях TCP/IP, ранее использовавшихся в основном в научных целях, большого количества приложений нового типа, работающих с мультимедийной информацией. Эти приложения чувствительны к задержкам передачи пакетов, так как такие задержки приводят к искажению передаваемых в реальном времени речевых сообщений и видеоизображений. Особенностью мультимедийных приложений является также передача очень больших объемов информации. Некоторые технологии вычислительных сетей, например, frame relay и ATM, уже имеют в своем арсенале механизмы для резервирования полосы пропускания для определенных приложений. Однако эти технологии еще не скоро вытеснят традиционные технологии локальных сетей, не поддерживающие мультимедийные приложения (например, Ethernet). Следовательно, необходимо компенсировать такой недостаток средствами сетевого уровня, то есть средствами протокола IP.

• Бурное расширение сети Internet. В начале 90-х годов сеть Internet расширялась очень быстро, новый узел появлялся в ней каждые 30 секунд, но 95-й год стал переломным - перспективы коммерческого использования Internet стали отчетливыми и сделали ее развитие просто бурным. Первым следствием такого развития стало почти полное истощение адресного пространства Internet, определяемого полем адреса IP в четыре байта.

• Новые стратегии администрирования. Расширение Internet связано с его проникновением в новые страны и новые отрасли промышленности. При этом в сети появляются новые органы администрирования, которые начинают использовать новые методы администрирования. Эти методы требуют появления новых средств в базовых протоколах стека TCP/IP.

Сообщество Internet уже несколько лет работает над разработкой новой спецификации для базового протокола стека - протокола IP. Выработано уже достаточно много предложений, от простых, предусматривающих только расширения адресного пространства IP, до очень сложных, приводящих к существенному увеличению стоимости реализации IP в высокопроизводительных (и так недешевых) маршрутизаторах.  Основным предложением по модернизации протокола IP является предложение, разработанное группой IETF. Сейчас принято называть ее предложение версией 6 - IPv6.  В предложении IETF протокол IPv6 оставляет основные принципы IPv4 неизменными. К ним относятся дейтаграммный метод работы, фрагментация пакетов, разрешение отправителю задавать максимальное число хопов для своих пакетов. Однако, в деталях реализации протокола IPv6 имеются существенные отличия от IPv4. Эти отличия коротко можно описать следующим образом.

• Использование более длинных адресов. Новый размер адреса - наиболее заметное отличие IPv6 от IPv4. Версия 6 использует 128-битные адреса.

• Гибкий формат заголовка. Вместо заголовка с фиксированными полями фиксированного размера (за исключением поля Резерв), IPv6 использует базовый заголовок фиксированного формата плюс набор необязательных заголовков различного формата.

• Поддержка резервирования пропускной способности. В IPv6 механизм резервирования пропускной способности заменяет механизм классов сервиса версии IPv4.

• Поддержка расширяемости протокола. Это одно из наиболее значительных изменений в подходе к построению протокола - от полностью детализированного описания протокола к протоколу, который разрешает поддержку дополнительных функций.

Адресация в IPv6

Адреса назначения и источника в IPv6 имеют длину 128 бит или 16 байт. Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов:

• Unicast - индивидуальный адрес. Определяет отдельный узел - компьютер или порт маршрутизатора. Пакет должен быть доставлен узлу по кратчайшему маршруту.

• Cluster - адрес кластера. Обозначает группу узлов, которые имеют общий адресный префикс (например, присоединенных к одной физической сети). Пакет должен быть маршрутизирован группе узлов по кратчайшему пути, а затем доставлен только одному из членов группы (например, ближайшему узлу).

• Multicast - адрес набора узлов, возможно в различных физических сетях. Копии пакета должны быть доставлены каждому узлу набора, используя аппаратные возможности групповой или широковещательной доставки, если это возможно.

Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы, в зависимости от значения нескольких старших бит адреса.  Большая часть классов зарезервирована для будущего применения.  Для обеспечения совместимости со схемой адресации версии IPv4, в версии IPv6 имеется класс адресов, имеющих 0000 0000 в старших битах адреса. Младшие 4 байта адреса этого класса должны содержать адрес IPv4. Маршрутизаторы, поддерживающие обе версии адресов, должны обеспечивать трансляцию при передаче пакета из сети, поддерживающей адресацию IPv4, в сеть, поддерживающую адресацию IPv6, и наоборот.  На практике процесс конвертирования адреса из старой схемы в новую весьма прост. Так IРv4-адресу:192.168.33.54 соответствует IPv6-aдpec : :192.168.33.54  После завершения перехода на новую схему адресации, адреса в IPv6 будут записываться в шестнадцатеричной нотации. В ней существует 16 "цифр": 0, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, а, b, с, d, e, f. Типичный IPv6-адрес может выглядеть, например, так 3dfe:0b80:0al8:1def:0000:0000:0000:0287 В схеме IPv6 разрешается отбрасывать ведущие нули, поэтому приведенный выше адрес эквивалентен следующему 3dfе:b80:а!8:Idef:0:0 : 0 : 287  Чтобы записать приведенный выше IPv4-адрес 192.168.33.54 в новой нотации, переведем сначала его составляющие в двоичный код  11000000 10101000 00100001 00111000  После перевода в шестнадцатеричную форму он выглядит так  с0а8:2138 Полный IPv6-aдрec будет выглядеть так  0000:0000:0000:0000:0000:0000:с0а8:2136  или  0:0:0:0:0:0:с0а8:2136  или  ::192.168.33.54