лабы / Lab_rabota_5

IP-адресация

Адресация является важнейшей функцией протоколов сетевого уровня. Адресация обеспечивает обмен данными между узлами — независимо от того, находятся ли они в одной сети или в разных сетях. Протоколы IPv4 иIPv6 осуществляют иерархическую адресацию пакетов данных.

Проектирование, внедрение и управление эффективным планом IP-адресации обеспечивают надежность и эффективность работы сетей.

В этой главе подробно рассматриваются структура адресов и их применение в создании и тестировании IP-сетей и подсетей.

IPv4-адреса

Двоичная система счисления состоит из цифр 0 и 1, называемых битами. Десятичная система счисления состоит из 10 цифр: от 0 до 9.

Понимание двоичной системы важно для нас, поскольку узлы, серверы и сетевые устройства используют именно двоичную адресацию. В частности, для идентификации друг друга они используют двоичные IPv4-адреса (как показано на рис. 1).

Каждый адрес представляет собой строку из 32 бит, разделенную на 4 части, называемые октетами. Каждый октет содержит 8 бит (или 1 байт), разделенные точкой. Например, узлу PC1 на рисунке назначен IPv4-адрес 11000000.10101000.00001010.00001010. Адресом его шлюза по умолчанию будет соответствующий адрес интерфейса Gigabit Ethernet interface маршрутизатора R1: 11000000.10101000.00001010.00000001.

Работа с двоичными числами — не такая легкая задача. Для простоты использования IPv4-адреса обычно выражаются в десятичном формате с точкой-разделителем, как показано на рис. 2. Узлу PC1 назначен IPv4-адрес 192.168.10.10; адрес шлюза по умолчанию — 192.168.10.1.

На рис. 3 сопоставляется адрес в десятичном формате с точкой-разделителем и 32-битный двоичный адрес узла PC1.

Для четкого понимания адресации сети необходимо знать принципы двоичной адресации и получить практические навыки преобразования IPv4-адресов из двоичной системы счисления в десятичную с точкой разделителем.

В этом разделе вы узнаете, как переводить числа из двоичной в десятичную систему счисления.

Позиционная система счисления

Чтобы переводить числа из двоичной в десятичную систему счисления, нужно понимать позиционную систему счисления. Принцип позиционной системы счисления заключается в том, что значение цифры определяется ее «позицией» в последовательности цифр. Вам уже знакома наиболее распространенная система счисления — десятичная (с основанием 10).

На рис. 1 показана суть десятичной системы счисления с точкой-разделителем. Чтобы получить описание каждой строки, нажмите на ее заголовок. Чтобы воспользоваться позиционной системой, сопоставьте заданное число с его позиционным значением. В примере на рис. 2 показана позиционная запись десятичного числа 1234.

Позиционная запись двоичных чисел показана на рис. 3. Чтобы получить описание каждой строки, нажмите на ее заголовок.

В примере на рис. 4 показано соответствие двоичного числа 11000000 десятичному числу 192. Если бы двоичное число составляло 10101000, то ему бы соответствовало десятичное число 168.

Преобразование двоичных чисел в десятичный формат

Для преобразования двоичного IPv4-адреса в десятичный эквивалент с точкой-разделителем разделите IPv4-адрес на четыре 8-битных октета. Затем занесите двоичное позиционное значение в качестве двоичного числа первого октета и выполните соответствующее вычисление.

Например, предположим, что IPv4-адрес узла — 11000000.10101000.00001011.00001010. Для преобразования двоичного адреса в десятичный формат, начните с первого октета, как показано на рис. 1. Введите 8-битное двоичное число в качестве позиционного значения строки 1, а затем выполните вычисление, результатом которого будет десятичное число 192. Это число составит первый октет десятичной записи с точкой-разделителем.

Затем преобразуйте второй октет, как показано на рис. 2. Итоговое десятичное значение — 168; это будет второй октет.

Преобразуйте третий октет, как показано на рис. 4, и последний четвертый октет IP-адреса, как показано на рис. 5. Результат: 192.168.11.10.

Преобразование десятичных чисел в двоичный формат

Необходимо также понимать, как преобразовывать IPv4-адреса в десятичном формате с точкой-разделителем в двоичный формат. Полезным инструментом является таблица двоичных позиционных значений. Ниже показано, как использовать таблицу для преобразования десятичных чисел в двоичный формат:

• На рис. 1 задается вопрос: больше ли или равно десятичное число в октете (n) самому старшему биту (128). Если нет, введите двоичный 0 в качестве позиционного значения числа 128. Если да, введите двоичную 1 в качестве позиционного значения числа 128 и вычтите 128 из десятичного числа.

• На рис. 2 задается вопрос: больше ли или равен остаток (n) следующему по старшинству биту (64). Если нет, введите двоичный 0 в качестве позиционного значения числа 64; в противном случае введите двоичную 1 и вычтите 64 из десятичного числа.

• На рис. 3 задается вопрос: больше ли или равен остаток (n) следующему по старшинству биту (32). Если нет, введите двоичный 0 в качестве позиционного значения числа 32; в противном случае введите двоичную 1 и вычтите 32 из десятичного числа.

И так далее продолжается вычисление десятичных значений до ввода всех позиционных значений для получения эквивалента в двоичном формате(рис.4).

Сетевая и узловая части

Понимание двоичной системы счисления необходимо, чтобы установить, находятся ли два узла в одной и той же сети. Как вы помните, IPv4-адрес является иерархическим адресом, который состоит из двух частей: сетевой и узловой. Определяя ту или иную часть, необходимо обращать внимание не на десятичное значение, а на 32-битный поток. Как показано на рисунке, в 32-битном потоке одна часть битов определяет сеть, а другая — узел.

Биты в сетевой части адреса должны быть одинаковыми у всех устройств, находящихся в одной сети. Биты в узловой части адреса должны быть уникальными для каждого узла в сети. Если два узла имеют одну битовую комбинацию в определенной сетевой части 32-битного потока, то эти два узла находятся в одной и той же сети.

Но как узлы определяют, какая из частей 32-битного потока является сетевой, а какая — узловой? Для этого используется маска подсети.

Маска подсети

Как показано на рис. 1, в ходе настройки IPv4-конфигурации узла необходимо задать три IPv4-адреса в десятичном формате с точкой-разделителем.

• IPv4-адрес — уникальный IPv4-адрес узла.

• Маска подсети используется для определения сетевой и узловой частей IPv4-адреса.

• Шлюз по умолчанию — локальный шлюз (т.е. IPv4-адрес интерфейса локального маршрутизатора), используемый для обращения к удаленным сетям.

При назначении устройству IPv4-адреса для определения адреса сети, к которому относится данное устройство, используется маска подсети. Сетевой адрес представляет все устройства в одной сети.

На рис. 2 показан адрес в десятичном формате с точкой-разделителем и 32-битная маска подсети. Обратите внимание, что маска подсети — это, по сути, последовательность битов 1, за которой следует последовательность битов 0.

Для идентификации сетевой и узловой части IPv4-адреса маска подсети побитово сравнивается с IPv4-адресом слева направо, как показано на рис. 3. Единицы в маске подсети определяют сетевую часть, а нули — узловую часть. Обратите внимание, что маска подсети на самом деле не содержит сетевой или узловой части IPv4-адреса; она лишь указывает компьютеру, где искать эти части в конкретном IPv4-адресе.

Сам процесс, используемый для определения сетевой и узловой частей адреса, называется логической операцией И (AND).

Логическая операция И

Логическая операция И — одна из трех основных двоичных операций, используемых в дискретной логике. Двумя другими операциями являются ИЛИ (OR) и НЕ (NOT). При том, что все три операции используются в сетях передачи данных, для определения сетевого адреса применяется только операция И. Поэтому в этом разделе мы будем говорить только об операции И.

Логическое И — это сравнение двух битов, результаты которого показаны на рис. 1. Обратите внимание, что 1 И 1 = 1.

Чтобы определить сетевой адрес IPv4-узла, к IPv4-адресу и маске подсети побитово применяется логическая операция И. Применение логической операции И к адресу и маске подсети в результате дает сетевой адрес.

Для демонстрации использования операции И для определения сетевого адреса рассмотрим узел с IPv4-адресом 192.168.10.10 и маской подсети 255.255.255.0. На рис. 2 показан IPv4-адрес узла и его двоичный эквивалент. Двоичный адрес маски подсети узла показан на рис. 3.

Фрагменты, выделенные желтым на рис. 4, определяют биты И, дающие двоичную единицу в строке результатов операции И. Остальные сравнения битов дали двоичные нули. Обратите внимание, что в последнем октете больше нет битов с двоичной 1.

Наконец, на рис. 5 показан полученный сетевой адрес: 192.168.10.0 255.255.255.0. Таким образом, узел 192.168.10.10 находится в сети 192.168.10.0 255.255.255.0.

Длина префикса

Представление сетевых адресов и адресов узлов путем в виде маски подсети в десятичном формате с точкой-разделителем может быть очень громоздким. К счастью, существует альтернативный, более простой, способ определения маски подсети, называемый длиной префикса.

Длина префикса означает количество бит, установленных на единицу (1) в маске подсети. Она обозначается наклонной чертой вправо («/»), после которой идет набор единиц. Следовательно, нужно подсчитать число битов в маске подсети и поставить перед этим значением косую черту.

Например, см. таблицу на рисунке. В первом столбце перечислены различные маски подсети, которые могут использоваться с адресом узла. Во втором столбце указан полученный 32-битный двоичный адрес. В последнем столбце указана полученная длина префикса.

Об использовании различных типов длины префикса вы узнаете позже. Сейчас же мы будем говорить о маске подсети /24 (т.е. 255.255.255.0).

Сетевой адрес, адрес узла и широковещательный адрес

Каждый сетевой адрес содержит (или определяет) адреса узлов и широковещательный адрес, как описано на рис. 1.

• На рис. 2 перечислены и описаны конкретные адреса в сети 192.168.10.0 /24.

• Другие примеры приведены на рис. 3–7. На этих рисунках обратите внимание, что сетевая часть адреса остается неизменной, а меняется только узловая часть.

• На рис. 3 показан сетевой адрес 10.1.1.0 /24. Биты узла — все нули.

• На рис. 4 показан IPv4-адрес узла 10.1.1.10. Биты узла представляют собой сочетание нулей и единиц.

• На рис. 5 показан IPv4-адрес первого узла 10.1.1.1. Биты узла — все нули и одна единица. Обратите внимание, что он назначен интерфейсу маршрутизатора и поэтому станет шлюзом по умолчанию для всех узлов в этой сети.

• На рис. 6 показан IPv4-адрес последнего узла 10.1.1.254. Биты узла — все единицы и один ноль.

• На рис. 7 показан широковещательный адрес 10.1.1.255. Биты узла — все единицы.

Понятия, обсуждаемые в рамках этой темы, формируют основу для понимания IPv4-адресации. Вы должны четко понимать, как в сетевом адресе определены сетевая и узловая части с помощью маски подсети или длины префикса и логической операции И. Также обратите внимание на различные типы сетевых адресов в сети.

Присвоение узлу статического IPv4-адреса

Устройствам могут назначаться как статические, так и динамические IP-адреса.

Некоторые устройства в пределах сети требуют назначения фиксированного IP-адреса. Например, принтерам, серверам и сетевым устройствам нужен постоянный IP-адрес. По этой причине указанным устройствам, как правило, назначаются статические IP-адреса.

Узлу также можно назначить статический IPv4-адрес, как показано на рисунке Назначение узлам статических адресов приемлемо в небольших сетях. В крупной же сети назначение статического адреса каждому узлу займет очень много времени. При этом очень важно вести точный учет назначенных статических IP-адресов.

Присвоение узлу динамического IPv4-адреса

В большинстве сетей передачи данных наибольшая по численности группа узлов — это компьютеры, планшеты, смартфоны, принтеры и IP-телефоны. Кроме того, нередки случаи, когда количество пользователей и их устройств часто меняются. Назначение статического IPv4-адреса каждому устройству непрактично. Поэтому IPv4-адреса назначаются устройствам динамически, с помощью протокола динамической настройки узла (Dynamic Host Configuration, DHCP).

Как показано на рисунке, узел может получать IPv4-адрес автоматически. Узел — это DHCP-клиент, и он запрашивает IPv4-адрес у DHCP-сервера. DHCP-сервер предоставляет IPv4-адрес, маску подсети, шлюз по умолчанию и другие параметры конфигурации.

DHCP — это наиболее распространенный способ присвоения IPv4-адресов узлам в крупных сетях. Другое преимущества DHCP состоит в том, что адреса присваиваются узлам временно, как бы «сдается в аренду» на определенный период. Если узел выключается или уходит из сети, его адрес возвращается в пул для повторного использования. Это особенно полезно для мобильных пользователей, которые используют сеть не постоянно.

Передача данных в IPv4-сети

Узел, успешно подключенный к сети, может обмениваться данными с другими устройствами одним из трех способов.

• Одноадресная рассылка — процесс отправки пакета с одного узла на другой конкретный узел.

• Широковещательная рассылка — процесс отправки пакета с одного узла на все узлы в сети.

• Многоадресная рассылка — процесс отправки пакета с одного узла выбранной группе узлов, возможно, в различных сетях,.

Эти три типа связи используются в сетях передачи данных для различных целей. Во всех трех типах IPv4-адрес узла источника размещен в заголовке пакета в качестве адреса источника.

Одноадресная рассылка

Одноадресная рассылка используется для обычного обмена данными между узлами как в сети типа «клиент/сервер», так и в одноранговой сети. Для одноадресной рассылки пакетов в качестве адреса назначения используются адреса устройства назначения. Пакеты могут быть направлены через объединенную сеть.

В IPv4-сети индивидуальные адреса, применяемые к оконечному устройству, называются узловыми адресами. Для одноадресной рассылки адреса, присвоенные двум оконечным устройствам, используются в качестве IPv4-адресов источника и назначения. В процессе инкапсуляции узел источника использует свой IPv4-адрес как адрес источника, а IPv4-адрес узла назначения как адрес назначения. Независимо от того, является ли адрес назначения, определивший пакет, одноадресным, широковещательным или многоадресным, адрес источника любого пакета всегда является адресом одноадресной рассылки узла источника.

Примечание. В этом курсе любая коммуникация между устройствами является одноадресной, если не указано иное.

IPv4-адреса узла являются одноадресными и входят в диапазон адресов от 0.0.0.0 до 223.255.255.255. Однако в этом диапазоне есть множество адресов, зарезервированных для специальных целей. Такие адреса будут рассмотрены позже.

Широковещательная рассылка

Широковещательная передача используется для отправки пакетов всем узлам в сети через широковещательный сетевой адрес. Пакет широковещательной рассылки содержит IPv4-адрес назначения, в узловой части которого присутствуют только единицы (1). Это означает, что пакет получат и обработают все узлы в локальной сети (домене широковещательной рассылки). Широковещательные рассылки предусмотрены во многих сетевых протоколах, например DHCP. Когда узел получает пакет, отправленный на широковещательный сетевой адрес, узел обрабатывает пакет так же, как и пакет, отправленный на адрес одноадресной рассылки.

Есть два типа широковещательной рассылки: прямая и ограниченная. Прямая широковещательная рассылка отправляется всем узлам в конкретной сети. Например, узел в сети 172.16.4.0/24 отправляет пакет на адрес 172.16.4.255. Ограниченная широковещательная рассылка отправляется на адрес 255.255.255.255. По умолчанию, маршрутизаторы не пересылают широковещательные рассылки.

Например, узел в пределах сети 172.16.4.0/24 отправляет широковещательную рассылку всем узлам внутри своей сети, используя пакет с адресом назначения 255.255.255.255.

Широковещательный пакет использует ресурсы в сети и заставляет каждый принимающий узел в сети обрабатывать этот пакет. Таким образом, трафик широковещательной рассылки должен быть ограниченным, чтобы не влиять на производительность сети и других устройств. Поскольку маршрутизаторы разделяют домены широковещательной рассылки, разделение сетей может повысить производительность сети за счет устранения чрезмерного трафика широковещательной рассылки.

Многоадресная рассылка

Многоадресная рассылка уменьшает трафик, позволяя узлу отправлять один пакет выбранной группе узлов, которые подписаны на группу многоадресной рассылки.

Для многоадресной рассылки в протоколе IPv4 зарезервированы адреса от 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Групповые IPv4-адреса от 224.0.0.0 до 224.0.0.255 зарезервированы для многоадресной рассылки в пределах локальной сети. Эти адреса используются для групп многоадресной рассылки в локальной сети. Маршрутизатор, подключенный к локальной сети, распознает, что эти пакеты адресованы локальной группе многоадресной рассылки, и не пересылает их дальше. Обычно зарезервированные локальные адреса применяются в протоколах маршрутизации с помощью многоадресной передачи для обмена данными маршрутизации. Например, адрес 224.0.0.9 зарезервирован для протокола маршрутизации (Routing Information Protocol, RIP) версии 2 для обмена данными с другими маршрутизаторами RIPv2.

Узлы, которые получают конкретные многоадресные данные, называются клиентами многоадресной рассылки. Клиенты многоадресной рассылки используют сервисы, запрошенные программой клиента для подписки на группу многоадресной рассылки.

Каждая группа многоадресной рассылки представлена одним групповым IPv4-адресом назначения. Когда IPv4-узел подписывается на группу многоадресной рассылки, он обрабатывает пакеты, адресованные на этот групповой адрес, а также пакеты, адресованные на его уникальный индивидуальный адрес.

Публичные и частные IPv4-адреса

Публичные IPv4-адреса представляют собой адреса, на глобальном уровне маршрутизируемые между маршрутизаторами интернет-провайдеров (Internet Service Provider, ISP). Однако не все доступные IPv4-адреса можно использовать в Интернете. Имеются блоки адресов, называемые частными адресами, которые в большинстве компаний назначаются в качестве IPv4-адресов внутренних узлов.

В середине 1990-х из-за исчерпания адресного пространства IPv4 были введены частные IPv4-адреса. Частные IPv4-адреса не являются уникальными и могут использоваться во внутренней сети.

В частности, блоками частных адресов являются:

• 10.0.0.0 /8 или от 10.0.0.0 до 10.255.255.255

• 172.16.0.0 /12 или от 172.16.0.0 до 172.31.255.255

• 192.168.0.0 /16 или от 192.168.0.0 до 192.168.255.255

Важно знать, что адреса в этих блоках адресов не допустимы для использования в Интернете и должны отфильтровываться (отклоняться) интернет-маршрутизаторами. Например, на этом рисунке пользователи сети 1, 2 или 3 отправляют пакеты на удаленные узлы назначения. Маршрутизаторы ISP будут видеть, что IPv4-адреса источника в этих пакетах являются частными, и поэтому будут отклонять пакеты.

Примечание. Частные адреса определены в RFC 1918.

Большинство организаций использует частные IPv4-адреса для своих внутренних узлов. Однако эти адреса RFC 1918 не маршрутизируются в Интернете и должны быть преобразованы в публичные IPv4-адреса. Преобразование сетевых адресов (Network Address Translation, NAT) используется для преобразования частного IPv4-адреса в публичный IPv4-адрес. Это обычно выполняется на маршрутизаторе, который обеспечивает соединение между внутренней сетью и сетью ISP.

Домашние маршрутизаторы выполняют ту же функцию. Например, большинство домашних маршрутизаторов назначают IPv4-адреса своим проводным и беспроводным узлам на основе частного адреса 192.168.1.0 /24. Интерфейсу домашнего маршрутизатора, который подключается к сети ISP, назначается публичный IPv4-адрес для его использования в Интернете.