5.5 Адресація вузлів мережі
Ще однією новою проблемою, яку потрібно враховувати при об’єднанні трьох і більш комп’ютерів, є проблема їх адресації, точніше за адресацію їх мережних интерфейсiв. Один комп'ютер може мати декілька мережних інтерфейсів. Наприклад, для створення повнозв'язної структури з N комп'ютерів необхідно, щоб у кожного з них був N–1 інтерфейс.
Адреси можуть бути числовими (наприклад, 129.26.255.255) і символьними (site. Domen. Ru). Одна і та ж адреса може бути записаний в різних форматах, скажімо, числова адреса в попередньому прикладі 125.26.35.18 може бути записаний і шестнадцятковими цифрами — 81.1a.ff.ff.
Адреси можуть використовуватися для ідентифікації не тільки окремих інтерфейсів, але і їх груп (групові адреси). За допомогою групових адрес дані можуть прямувати одночасно відразу декільком вузлам. У багатьох технологіях комп'ютерних мереж підтримуються так звані широкомовні адреси. Дані, направлені за такою адресою, повинні бути доставлені всім вузлам мережі.
Безліч всіх адрес, які є допустимими в рамках деякої схеми адресації, називається адресним простором. Адресний простір може мати плоску (лінійну) організацію або ієрархічну організацію. У першому випадку безліч адрес ніяк не структуровано. При ієрархічній схемі адресації воно організоване у вигляді вкладених один в одного підгруп, які, послідовно звужуючи область, що адресується, врешті-решт, визначають окремий мережний інтерфейс. У трирівневій структурі адресного простору адреса кінцевого вузла задається трьома складовими: ідентифікатором групи {К}, в яку входить даний вузол, ідентифікатором підгрупи {L} і, нарешті, ідентифікатором вузла (п), що однозначно визначає його в підгрупі. Ієрархічна адресація у багатьох випадках виявляється раціональнішою, ніж плоска. У великих мережах, що складаються з багатьох тисяч вузлів, використовування плоских адрес може привести до великих витрат — кінцевим вузлам і комунікаційному устаткуванню доведеться оперувати з таблицями адрес, що складаються з тисяч записів. У протилежність цьому, ієрархічна система адресації дозволяє при переміщенні даних до певного моменту користуватися тільки старшою складовою адреси, потім для подальшої локалізації адресата скористатися наступною за старшинством частиною і в кінцевому рахунку — молодшою частиною. Прикладом ієрархічно організованих адрес є звичні поштові адреси, в яких послідовно уточнюється місце знаходження адресата: країна, місто, вулиця, дім, квартира.
До адреси мережного інтерфейсу і схеми його призначення можна пред'явити декілька вимог:
Адреса повинна унікально ідентифікувати мережний інтерфейс в мережі будь-якого масштабу.
Схема призначення адрес повинна зводити до мінімуму ручну працю адміністратора і вірогідність дублювання адрес.
Бажано, щоб адреса мала ієрархічну структуру, зручну для побудови великих мереж.
Адреса повинна бути зручною для користувачів мережі, а це значить, що вона повинна допускати символьне уявлення, наприклад Server3 або www.cisco.com.
Адреса повинна бути по можливості компактною, щоб не перенавантажувати пам'ять комунікаційної апаратури — мережних адаптерів, маршрутизаторів і т.п.
Неважко помітити, що ці вимоги суперечливі — наприклад, адреса, що має ієрархічну структуру, швидше за все буде менш компактною, ніж плоска. Символьні імена зручні для людей, але через змінний формат і потенційно велику довжину їх передача по мережі не дуже економічна. Оскільки всі перераховані вимоги важко сумістити в рамках якої-небудь однієї схеми адресації, на практиці звичайно використовується відразу декілька схем, так що мережний інтерфейс комп'ютера може одночасно мати декілька адреси – імен. Кожна адреса задіюється в тій ситуації, коли відповідний вид адресації найбільш зручний. А для перетворення адрес з одного вигляду в іншій використовуються спеціальні допоміжні протоколи, які називають іноді протоколами дозволу адрес (address resolution protocols).
Прикладом плоскої числової адреси є МАС-адреса, призначена для однозначної ідентифікації мережних інтерфейсів в локальних мережах. Така адреса звичайно використовується тільки апаратурою, тому її прагнуть зробити по можливості компактною і записують у вигляді двійкового або шістнадцяткового значення, наприклад 0081005е24а8. При завданні МАС - адрес не потрібне виконання ручної роботи, оскільки вони звичайно вбудовуються в апаратуру компанією – виготівником, тому їх називають також апаратними (hardware) адресами. Використовування плоских адрес є жорстким рішенням — при заміні апаратури, наприклад мережного адаптера, змінюється і адреса мережного інтерфейсу комп'ютера.
Типовими представниками ієрархічних числових адрес є мережні IP - і IPX - адреси. У них підтримується дворівнева ієрархія, адреса ділиться на старшу частину — номер мережі і молодшу — номер вузла. Такий розподіл дозволяє передавати повідомлення між мережами тільки на підставі номера мережі, а номер вузла використовується після доставки повідомлення в потрібну мережу; точно так, як і назва вулиці використовується листоношею тільки після того, як лист доставлений в потрібне місто. Останнім часом, щоб зробити маршрутизацію в крупних мережах ефективнішою, пропонуються складніші варіанти числової адресації, відповідно до яких адреса має три і більш складових. Такий підхід, зокрема, реалізований в новій версії протоколу Ipv6, призначеного для роботи в мережі Інтернет.
Символьні адреси або імена призначені для запам'ятовування людьми і тому звичайно несуть смислове навантаження. Символьні адреси легко використовувати як в невеликих, так і крупних мережах. Для роботи у великих мережах символьне ім'я може мати ієрархічну структуру, наприклад ftp-archl.ucl.ac.uk. Ця адреса говорить про те, що даний комп'ютер підтримує ftp-архив в мережі одного з коледжів Лондонського університету (University College London — uc1) і ця мережа відноситься до академічної гілки (ас) Інтернету Великобританії (United Kingdom — uk). При роботі в межах мережі Лондонського університету таке довге символьне ім'я явно надмірне і замість нього зручно користуватися коротким символьним ім'ям, на роль якого добре підходить наймолодша складова повного імені, тобто ім'я ftp-archl.
У сучасних мережах для адресації вузлів застосовуються, як правило, одночасні всі три приведені вище схеми. Користувачі адресують комп'ютери символьними іменами, які автоматично замінюються в повідомленнях, передаваних по мережі, числовими номерами. За допомогою цих числових номерів повідомлення передаються з однієї мережі в іншу, а після доставки повідомлення в мережу призначення замість числового номера використовується апаратна адреса комп'ютера. Сьогодні така схема характерна навіть для невеликих автономних мереж, де, здавалося б, вона явно надмірна — це робиться для того, щоб при включенні цієї мережі у велику мережу не потрібно було міняти склад операційної системи.
Проблема встановлення відповідності між адресами різних типів, якою займаються протоколи дозволу адрес, може розв'язуватися як повністю централізованими, так і розподіленими засобами. У разі централізованого підходу в мережі виділяється один або декілька комп'ютерів (серверів імен), в яких зберігається таблиця відповідності один одному імен різних типів, наприклад символьних імен і числових номерів. Вся решта комп'ютерів звертається до серверу імен, щоб по символьному імені знайти числовий номер комп'ютера, з яким необхідно обмінятися даними.
При іншому, розподіленому, підході кожен комп'ютер сам вирішує задачу встановлення відповідності між адресами. Наприклад, якщо користувач вказав для вузла призначення числовий номер, то перед початком передачі даних комп'ютер – відправник посилає всім комп'ютерам мережі широкомовне повідомлення з проханням впізнати це числове ім'я. Всі комп'ютери, одержавши це повідомлення, порівнюють заданий номер з своїм власним. Той комп'ютер, у якого виявився збіг, посилає відповідь, що містить його апаратна адреса, після чого стає можливим відправка повідомлень по локальній мережі.
Розподілений підхід хороший тим, що не припускає виділення спеціального комп'ютера, який до того ж часто вимагає ручного завдання таблиці відповідності адрес. Недоліком розподіленого підходу є необхідність широкомовних повідомлень — такі повідомлення перенавантажують мережу, оскільки вони вимагають обов'язкової обробки всіма вузлами, а не тільки вузлом призначення. Тому розподілений підхід використовується тільки в невеликих локальних мережах. У крупних мережах розповсюдження широкомовних повідомлень по всіх її сегментах стає практично нереальним, тому для них характерний централізований підхід. Найвідомішою службою централізованого дозволу адрес є система доменних імен (Domain Name System, DNS) мережі Інтернет.
Дотепер ми говорили про адреси мережних інтерфейсів, які указують на порти вузлів мережі (комп'ютерів і комунікаційних пристроїв), проте кінцевою метою даних, що пересилаються по мережі, є не комп'ютери або маршрутизатори, а виконувані на цих пристроях програми — процеси. Тому в адресі призначення разом з інформацією, що ідентифікує порт пристрою, повинна указуватися адреса процесу, якій призначені посилані по мережі дані. Після того, як ці дані досягнуть вказаного в адресі призначення мережного інтерфейсу, програмне забезпечення комп'ютера повинне їх направити відповідному процесу. Зрозуміло, що адреса процесу не обов'язково повинна задавати його однозначно в межах всієї мережі, достатньо забезпечити його унікальність в межах комп'ютера. Прикладом адрес процесів є номери портів TCP і UDP, що використовуються в стеку TCP/IP.