Протоколи мережевого рівня

Протокол IP (англ. Internet Protocol - міжмережевий протокол) - мережевий протокол маршрутизації - основа стеку протоколів TCP/IP. Протокол IP використовується для ненадійної доставки даних (поділюваних на так звані пакети) від одного вузла мережі до іншого. Це означає, що на рівні даного протоколу не дається жодної гарантії надійної доставки пакета до адресата. Зокрема, пакети можуть прийти не в тому порядку, в якому були відправлені, виявитися пошкодженими або не прибути зовсім. Гарантії безпомилкової доставки пакетів дають протоколи більш високого (транспортного) рівня - наприклад, TCP, які використовують IP як транспорт.

Сучасний Інтернет використовує IP-протокол четвертої версії, також відомий як IPv4. Відповідно до даної версії протоколу кожному вузлу мережі присвоюється IP-адреса довжиною 4 октети або 4 байти. При цьому вузли (мається на увазі не тільки комп'ютер, але і принтер та інше мережеве обладнання, що потребує IP‑адреси) в підмережах об'єднуються загальними початковими бітами адреси. Кількість цих біт, загальне для даної підмережі, називається маскою підмережі (раніше використовувався поділ простору адрес по класах - A, B, C; клас мережі визначався діапазоном значень старшого октету і визначав число адресованих вузлів в даній мережі; зараз використовується безкласова адресація). Сучасний Інтернет має суттєві технічні проблеми, безпосередньо пов'язані з використанням застарілого IPv4:

1. Недостатньо великий адресний простір, обмежений 32-бітовою адресою. Як наслідок - не вистачає IP-адрес.

2. Низька продуктивність і відсутність механізму автоматичної конфігурації адрес. Алгоритми фрагментації пакетів протоколу IPv4 недосконалі і не відповідають сучасним вимогам: вся справа в тому, що на поділ пакетів маршрутизаторами потрібно неадекватно велика кількість системних ресурсів. Виходить, що процедура фрагментації пакетів, маючи невиправдано великий час обробки, споживає додаткові ресурси проміжних маршрутизаторів. В даний час вводиться в експлуатацію шоста версія протоколу - IPv6, яка, між іншим, вже лежить в основі проекту Інтернет-2. Крім того, що IPv6-версія відрізняється підвищеною розрядністю адреси, що вирішує проблему нестачі IP-адрес, IPv6 відрізняється вбудованою можливістю шифрування і деякими іншими особливостями.

Протокол IPv6 був розроблений в дослідницькому центрі Xerox PARC. На сьогоднішній день протокол IPv6 застосовується досить обмежено. До певного моменту існувало декілька альтернативних варіантів протоколу IP нового покоління: IPv7 (розробник - Ullman), TUBA (Gallon), ENCAPS (Hinden), SIP (Deering) і PIP (Fracis). В результаті розвитку лінії ENCAPS (з проміжною версією IPAE) SIP і PIP злилися в 1993 році в пропозицію SIPP, яку в липні 1994 року було прийнято в якості основи для створення протоколу IP нового покоління, що отримав назву IPv6, де «6» позначає номер версії протоколу. Документом, що фіксує появу IPv6, є специфікація RFC 1752 The Recommendation for the IP Next Generation Protocol. Базовий набір протоколів IPv6 був прийнятий IETF у вересні 1995 р. і отримав статус Proposed Standard. У специфікації RFC 1726 представлений наступний набір основних функцій:

- незалежність від середовища передачі: робота серед безлічі мереж з різними середовищами передачі даних зі швидкостями до сотень гігабіт на секунду;

- спадкоємність: забезпечення чіткого плану переходу від існуючої версії IPv4;

- розширюваність: можливість подальшого розвитку у відповідності з новими потребами;

- масштабованість: ідентифікація та визначення адрес як мінімум 1012 кінцевих систем і 109 індивідуальних мереж;

- топологічна гнучкість: архітектура маршрутизації та протокол повинні працювати в мережах з різною топологією;

- автоматичне конфігурування хостів і маршрутизаторів; безпеку на мережевому рівні;

- мобільність: забезпечення роботи з мобільними користувачами, мережами і міжмережевими системами;

Резюмуючи специфікацію IPv6, можна сказати наступне:

- в протоколі введені механізми аутентифікації і шифрування на рівні IP‑пакетів;

- покращена підтримка ієрархічної адресації, агрегування маршрутів і автоматичного конфігурування адрес;

- спрощений стандартний заголовок IP-пакета; введені мітки потоків даних;

- змінено уявлення необов'язкових полів заголовка;

- розширено адресний простір.

Розмір IP-адреси збільшений до 128 біт (16 байтів), а цього більш ніж достатньо, щоб забезпечити об'єднання мільярда мереж.

Протокол ARP (англ. Address Resolution Protocol - протокол перетворення адрес) являє собою мережевий протокол, призначений для перетворення IP-адрес (адрес мережевого рівня) в MAC-адреси (адреси канального рівня) в мережах TCP/IP. Протокол визначений в специфікації RFC 826. Для того, щоб зрозуміти, як саме працює цей протокол, доречно навести цитату з його оригінальної специфікації: ARP-перетворення адрес виконується шляхом пошуку в таблиці. Ця таблиця, яку називають ARP-таблицею, зберігається в пам'яті і містить рядки відповідності MAC/IP для кожного вузла мережі. Якщо потрібно перетворити IP‑адресу в MAC‑адресу, то шукається запис з відповідною IP-адресою. Нижче наведено приклад найпростішої ARP-таблиці:

Таблиця 1.

IP-адреса | Ethernet-адреса

192.168.0.1 | 08:00:34:00:2 F: C3

192.168.0.2 | 08:00:5 A: 71: A7: 72

192.168.0.3 | 08:00:10:98: AC: 24

Переглянути дану таблицю можна шляхом команди «arp-a» в командному рядку.

ARP-таблиця необхідна по причині того, що IP-і MAC-адреси вибираються незалежно одна від одної, і не існує якогось чіткого алгоритму для перетворення однієї в іншу. IP-адреса вибирається адміністратором мережі з урахуванням місця розташування машини. Якщо машину переміщують в іншу частину мережі, то її IP‑адресу, як правило, зміненюють. Коли у машини замінюється плата мережевого адаптера, то змінюється і її Ethernet-адреса. В ході звичайної роботи будь-яка мережева програма, наприклад, TELNET - відправляє якесь прикладне повідомлення, користуючись транспортними послугами TCP. Модуль TCP посилає відповідне транспортне повідомлення через модуль IP за допомогою IP-пакету, який має бути переданий драйверу Ethernet. IP-адреса місця призначення відома прикладній програмі, модулю TCP та модулю IP. На його основі необхідно знайти MAC-адресу місця призначення. Для визначення невідомої Ethernet-адреси і використовується ARP-таблиця. Заповнюється вона автоматично модулем ARP. У випадку, якщо в існуючій ARP-таблиці не вдається знайти відповідність IP/MAC, відбувається наступне: по мережі передається широкомовний ARP-запит. При цьому кожен мережевий адаптер приймає широкомовну передачу. Кожен модуль ARP перевіряє поле невідомої IP-адреси в отриманому ARP-пакеті і, якщо адреса збігається з її власною IP-адресою, посилає відповідь прямо за Ethernet-адресою відправника запиту. Формат відповіді приблизно такий: "Ця IP-адреса належить мені! Ось мій MAC!" Машина, яка зробила ARP-запит, отримує дану відповідь. Драйвер цієї машини перевіряє поле типу в Ethernet-кадрі й передає ARP-пакет модулю ARP. Модуль ARP аналізує ARP-пакет і додає запис у свою ARP-таблицю. Тепер з використанням оновленої ARP-таблиці виконується перетворення IP-адреси в MAC-адресу, після чого Ethernet-кадр передається по мережі. Якщо в мережі немає машини з невідомою IP-адресою, то ARP-відповіді не буде і не буде запису в ARP-таблиці. Протокол IP буде знищувати IP-пакети, що направляються за цією адресою. Слід зазначити, що кожна машина має окрему ARP-таблицю для кожного зі своїх мережевих інтерфейсів.

Протокол RARP (англ. Reverse Address Resolution Protocol - зворотний протокол перетворення адрес) - протокол третього (мережевого) рівня моделі OSI - виконує зворотне відображення адрес, тобто перетворює апаратну (MAC) адресу в IP-адресу. Протокол застосовується під час завантаження вузла (наприклад, комп'ютера), коли він посилає групове повідомлення-запит зі своєю фізичною адресою. Сервер приймає це повідомлення і переглядає свої таблиці (або перенаправляє запит куди-небудь ще) в пошуках відповідної фізичної IP-адреси. Після виявлення знайдена адреса відсилається назад на вузол, який її запитав. Інші станції також можуть «чути» цей діалог і локально зберегти цю інформацію у своїх ARP-таблицях. RARP дозволяє розділяти IP-адреси між не часто використовуваними хост-вузлами. Після використання будь-яким вузлом IP-адреси вона може бути звільнена і видана іншому вузлу.

Протокол ICMP (Internet Control Message Protocol, міжмережевий протокол керуючих повідомлень) - обов'язковий керуючий протокол в наборі протоколів TCP/IP, що повідомляє про помилки і забезпечує зв'язки між вузлами мережі. Протокол ICMP використовується програмою Ping для виявлення та усунення неполадок TCP/IP.

Протокол ICMP - це протокол повідомлення про помилки, а не протокол корекції помилок. Кінцевий вузол може почати деякі дії для того, щоб помилка більше не виникала, але ці дії протоколом ICMP не регламентуються.

По мережі кожне ICMP-повідомлення передається всередині IP-пакету. Пакети IP з повідомленнями ICMP маршрутизируются так само, як і будь-які інші пакети, без пріоритетів, тому вони також можуть губитися. Крім того, в завантаженій мережі вони можуть викликати додаткове завантаження маршрутизаторів.

Протокол ICMP описаний в RFC 792 і є стандартом Інтернету. Хоча формально ICMP використовує IP (ICMP-пакети інкапсулюються в IP-пакети), він є невід'ємною частиною IP і обов'язковий при реалізації стеку TCP/IP. Поточна версія ICMP для IPv4 називається ICMPv4. В IPv6 існує аналогічний протокол ICMPv6.

ICMP-повідомлення надсилаються за допомогою стандартного IP-заголовка. Перший октет в полі даних дейтаграми - це поле типу ICMP повідомлення. Значення цього поля визначає формат всіх інших даних у дейтаграмі.