3 Протокол ip

Протокол IP является самым главным во всей иерархии протоколов семейства TCP/IP. Именно он используется для управления рассылкой TCP/IP пакетов по сети Internet. Среди различных функций, возложенных на IP обычно выделяют следующие:

• определение пакета, который является базовым понятием и единицей передачи данных в сети Internet. Многие зарубежные авторы называют такой IP-пакет датаграммой;

• определение адресной схемы, которая используется в сети Internet;

• передача данных между канальным уровнем (уровнем доступа к сети) и транспортным уровнем (другими словами мультиплексирование транспортных датаграмм во фреймы канального уровня);

• маршрутизация пакетов по сети, т.е. передача пакетов от одного шлюза к другому с целью передачи пакета машине-получателю;

• "нарезка" и сборка из фрагментов пакетов транспортного уровня.

Главными особенностями протокола IP является отсутствие ориентации на физическое или виртуальное соединение. Это значит, что прежде чем послать пакет в сеть, модуль операционной системы, реализующий IP, не проверяет возможность установки соединения, т.е. никакой управляющей информации кроме той, что содержится в самом IP-пакете, по сети не передается. Кроме этого, IP не заботится о проверке целостности информации в поле данных пакета, что заставляет отнести его к протоколам ненадежной доставки. Целостность данных проверяется протоколами транспортного уровня (TCP) или протоколами приложений.

Таким образом, вся информация о пути, по которому должен пройти пакет берется из самой сети в момент прохождения пакета. Именно эта процедура и называется маршрутизацией в отличие от коммутации, которая используется для предварительного установления маршрута следования данных, по которому потом эти данные отправляют.

Принцип маршрутизации является одним из тех факторов, который обеспечил гибкость сети Internet и ее победу в соревновании с другими сетевыми технологиями. Надо сказать, что маршрутизация является довольно ресурсоемкой процедурой, так как требует анализа каждого пакета, который проходит через шлюз или маршрутизатор, в то время как при коммутации анализируется только управляющая информация, устанавливается канал, физический или виртуальный, и все пакеты пересылаются по этому каналу без анализа маршрутной информации. Однако, эта слабость IP одновременно является и его силой. При неустойчивой работе сети пакеты могут пересылаться по различным маршрутам и затем собираться в единое сообщение. При коммутации путь придется каждый раз вычислять заново для каждого пакета, а в этом случае коммутация потребует больше накладных затрат, чем маршрутизация.

Версий протокола IP существует несколько. В лабораторной работе №1 внимание обращалось на тот факт, что адреса из адресного пространства IPv4 исчерпаны. Тем не менее, в настоящее время в локальных сетях LAN продолжает использоваться версия IPv4 (RFC791). Формат пакета протокола представлен на рисунке 2.4. Условно заголовок делят на слова, длиной 32 бита.

Р исунок 2.4 — Формат пакета IPv4

Фактически, в этом заголовке определены все основные данные, необходимые для перечисленных выше функций протокола IP: адрес отправителя (4-ое слово заголовка), адрес получателя (5-ое слово заголовка), общая длина пакета (поле Total Length) и тип пересылаемой датаграммы (поле Protocol).

Используя данные заголовка, машина может определить на какой сетевой интерфейс отправлять пакет. Если IP-адрес получателя принадлежит одной из ее сетей, то на интерфейс этой сети пакет и будет отправлен, в противном случае пакет отправят на другой шлюз.

Если пакет слишком долго "бродит" по сети (исчерпан счётчик Time to Live), то очередной шлюз может отправить ICMP-пакет на машину-отправитель для того, чтобы уведомить о том, что надо использовать другой шлюз. При этом, сам IP-пакет будет уничтожен. На этом принципе работает программа ping, которая используется для деления маршрутов прохождения пакетов по сети.

Зная протокол транспортного уровня, IP-модуль производит раскапсулирование информации из своего пакета и ее направление на модуль обслуживания соответствующего транспорта.

При обсуждении формата заголовка пакета IP вернемся еще раз к инкапсулированию. Как уже отмечалось, при обычной процедуре инкапсулирования пакет просто помещается в поле данных фрейма, а в случае, когда это не может быть осуществлено, то разбивается на более мелкие фрагменты. Размер максимально возможного фрейма, который передается по сети, определяется величиной MTU (Maximum Transsion Unit), определенной для протокола канального уровня. Для того, чтобы потом восстановить пакет IP должен держать информацию о своем разбиении. Для этой цели используется поля "flags" и "fragmentation offset". В этих полях определяется, какая часть пакета получена в данном фрейме, если этот пакет был фрагментирован на более мелкие части.

Обсуждая протокол IP и вообще все семейство протоколов TCP/IP нельзя не упомянуть, что в настоящее время перед Internet возникло множество по-настоящему сложных проблем, которые требуют изменения базового протокола сети.

В начале 1995 года IETF, после 3-x лет консультаций и дискуссий, выпустило предложения по новому стандарту протокола IP - IPv6, который еще называют Iping. IPv6 призван не только решить адресную проблему, но и попутно помочь решению других задач, стоящих в настоящее время перед Internet.

Нельзя сказать, что до появления IPv6 не делались попытки обойти адресные ограничения IPv4. Например, в протоколах BOOTP (BOOTstrap Protocol) и DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) предлагается достаточно простой и естественный способ решения проблемы для ситуации, когда число физических подключений ограничено, или реально все пользователи не работают в сети одновременно. Типичной ситуацией такого сорта является доступ к Internet по коммутируемому каналу, например телефону. Ясно, что одновременно несколько пользователей физически не могут разговаривать по одному телефону, поэтому каждый из них при установке соединения запрашивает свою конфигурацию, в том числе и IP-адрес. Адреса выдаются из ограниченного набора адресов, который закреплен за телефонным пулом. IP-адрес пользователя может варьироваться от сессии. Фактически, DHCP - это расширение BOOTP в сторону увеличения числа протоколов, для которых возможна динамическая настройка удаленных машин. Следует заметить, что DHCP используют и для облегчения администрирования больших сетей, т.к. достаточно иметь только базу данных машин на одном компьютере локальной сети, и из нее загружать настройки удаленных компьютеров при их включении (под включением понимается, в данном случае не подключение к локальной компьютерной сети, а включение питания у компьютера, подсоединенного к сети).

С овершенно очевидно, что приведенный выше пример - это достаточно специфическое решение, ориентированное на специальный вид подключения к сети. Однако, не только адресная проблема определила появление нового протокола. Разработчики позаботились и о масштабируемой адресации IP-пакетов, ввели новые типы адресов, упростили заголовок пакета, ввели идентификацию типа информационных потоков для увеличения эффективности обмена данными, ввели поля идентификации и конфиденциальности информации.

Новый заголовок IP-пакета показан на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 — Заголовок IPv6.