Компьютерные сети (3 курс 2 семестр) Черняхівський Ю.В. / ЛР5 АДРЕСАЦІЯ ПРИСТРОЇВ ТА МАРШРУТИЗАЦІЯ В КОМПЮТЕРНИХ МЕРЕЖАХ / ЛР_5_АДРЕСАЦІЯ_ПРИСТРОЇВ_ТА_МАРШРУТИЗАЦІЯ_В_КОМП_ЮТЕРНИХ_МЕРЕЖАХ_2017

Лабораторна робота № 5

Тема: Адресація пристроїв та маршрутизація в комп’ютерних

мережах

Мета: вивчення основних принципів адресації пристроїв в комп’ютерних мережах на різних рівнях моделі OSI та маршрутизації в корпоративних мережах, отримання навичок по проектуванню адресного простору та розробці системи статичної маршрутизації в комп’ютерних мережах.

Кількість аудиторних годин: 4 години

Завдання:

1 частина:

-вивчити основні принципи адресації пристроїв в комп’ютерних мережах на канальному, мережевому і транспортному рівнях моделі OSI та основні принципи адресації пристроїв в комп’ютерних мережах за допомогою символьних імен;

-навчитись проектувати адресний простір комп’ютерних мереж.

2 частина:

-навчитись розробляти систему статичної маршрутизації в комп’ютерних мережах;

-скласти схему комп’ютерної мережі згідно із варіантом завдання.

Література:

1.В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 5-е изд. – СПб.: Питер, 2016. – 992 с.: ил.

2.Компьютерные сети. 5-е изд. / Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл – СПб.: Питер, 2012. – 960 с.: ил.

3.Компьютерные сети: Нисходящий подход / Джеймс Куроуз, Кит Росс. – 6-е изд. – Москва: Издательство «Э», 2016. – 916 с.

4.Современные компьютерные сети. 2-е изд. / В. Столлингс. – СПб.:Питер, 2003. – 783 с.

5.Жуков І.А., Дрововозов В.І., Масловський Б.Г. Експлуатація комп’ютерних систем та мереж: Навч. посібник.- К.: НАУ-Друк, 2007. - 368с.

5.Черняхівський Ю.В. Конспект лекцій з предмету «Комп’ютерні мережі»

Характеристика робочого місця:

Робоче місце на базi ПК з встановленою ОС WINDOWS XP, інстальованою програмою проектування та моделювання роботи комп’ютерних мереж Net Cracker Pro.

Вимоги до охорони праці при виконанні лабораторної роботи:

1.Виконувати вимоги інструкції з охорони праці при виконанні лабораторно-практичних робіт в лабораторії

2.Не вмикати та вимикати ПЕОМ самостійно без потреби

3.Не залишати ПЕОМ у ввімкненому стані без нагляду

4.Не затуляти вентиляційні отвори монітора та системного блока

5.Не класти на клавіатуру різні речі – зошити, ручки тощо

6.Виконувати роботу у відповідності з інструкцією

Теоретичні відомості

Типи адрес в мережах TCP/IP

Адреса канального рівня

Локальна адреса сайту, що визначається технологією, за допомогою якої побудована окрема мережа, у яку входить даний вузол.

Для вузлів, що входять у локальні мережі - це МАС-адреса мережевого адаптера або порту маршрутизатора, наприклад, 11-А0-17-3D-BC-01. Ці адреси призначаються виробниками обладнання і є унікальними адресами, тому що управляються централізовано. Для всіх існуючих технологій локальних мереж МАС-адреса має формат 6 байтів: старші 3 байти - ідентифікатор фірми виробника, а молодші 3 байти призначаються унікальним чином самим виробником.

Для вузлів, що входять у глобальні мережі, такі як Х.25 або frame relay, локальна адреса призначається адміністратором глобальної мережі.

Адреса мережевого рівня

IP-адреса, що складається з 4 байт, наприклад, 109.26.17.100. Вона призначається адміністратором під час конфігурування комп'ютерів і маршрутизаторів. IP-адреса складається з двох частин: номера мережі й номера вузла. Номер мережі може бути обраний адміністратором довільно, або призначений за рекомендацією спеціального підрозділу Internet (Network Information Center, NIC), якщо мережа повинна працювати як складова частина Internet. Зазвичай провайдери послуг Internet одержують діапазони адрес у підрозділів NIC, а потім розподіляють їх між своїми абонентами.

Номер вузла в протоколі IP призначається незалежно від локальної адреси вузла. Розподіл IP-адреси на поле номера мережі і номери вузла - гнучкий, і межа між цими полями може встановлюватися досить довільно. Вузол може входити в кілька IP-мереж. У цьому випадку вузол повинен мати кілька IPадрес (по числу мережевих зв'язків). Таким чином IP-адреса характеризує не окремий комп'ютер або маршрутизатор, а одне мережеве з'єднання.

Адресація транспортного рівня

У мережах TCP/IP на транспортному рівні прийнято говорити про порти протоколів TCP і UDP. Однак, порти тут виконують ті ж функції, що й адреси. Ці адреси потрібні для ідентифікації додатків користувача.

Адреса прикладного рівня

Символьний ідентифікатор-ім'я, наприклад, SERV1.IBM.COM. Ця адреса призначається адміністратором і складається з декількох частин, наприклад, імені машини, імені організації, імені домену. Така адреса, яку називають також DNS-ім'ям або доменним ім'ям, використовується на прикладному рівні, наприклад, в протоколах FTP або telnet.

Рисунок 1 - Взаємодія двох хостів

На рисунку показані області дії різних адрес на прикладі взаємодії двох хостів. Користувач знає тільки доменне ім'я одержувача, саме його він і вводить в додатках. На одному хості може працювати кілька додатків. Для того, щоб знати, для якого додатка призначений пакет, використовуються адреси додатків (порти TCP). Для ідентифікації отримувача в глобальній мережі використовуються IP-адреси. Однак для пересилання пакета по локальній мережі до наступного мережевого пристрою (уздовж маршруту руху пакетів), необхідно знати його локальну (фізичну) адресу.

Адресація мережевого рівня

Основи протоколу IP

Дуже коротко розглянемо основи протоколу. Його опис дано в документі RFC 791. IP (Internet Protocol) є базовим протоколом всього стеку TCP/IP - він відповідає за передачу інформації по мережі. Інформація передається блоками, які називають дейтаграмами. IP є протоколом мережевого рівня, при цьому для кожного середовища передачі даних, наприклад Ethernet і ATM, визначений

свій спосіб інкапсуляції IP-дейтаграм. Маршрутизатори пересилають інкапсульовані дейтаграми по різних мережах, утворюючи об'єднання IPмереж, в межах якого кожна робоча станція може підтримувати зв'язок по протоколу IP з будь-якою іншою робочою станцією.

Послуги, пропоновані протоколом IP, зводяться до негарантованої доставки дейтаграм. Протокол IP не виключає втрат і дублювання дейтаграм, доставки дейтаграм з помилками, а також порушення порядку проходження дейтаграм, заданого при їх відправленні.

Протокол IP виконує фрагментацію і складання дейтаграм, якщо прийнятий розмір кадрів в робочій мережі (або ділянці розподіленої мережі) відрізняється від розміру вихідних дейтаграм. У протоколі IP відсутні механізми підвищення достовірності передачі даних, управління протоколом і синхронізації, які зазвичай надаються в протоколах більш високого рівня. Протокол IP отримує інформацію для передачі від протоколів, розташованих в порівнянні з ним на більш високому рівні. До цих протоколів, перш за все, відносяться протоколи TCP і UDP. Після отримання інформації протокол IP передає дейтаграми через розподілену мережу, використовуючи сервіси локальних мереж. Дейтаграма складається з заголовка і поля даних, яке розташоване відразу за заголовком. Довжина поля даних визначається полем «Загальна довжина» в заголовку. На рисунку показаний формат заголовка IP-дейтаграми.

Рисунок 2 - Формат заголовка дейтаграми протоколу IP

-Поле «Версія» (Version) вказує на версію протоколу IP, який використовується. В даний час поширена версія 4, але прийнята і версія 6.

-Поле «Довжина заголовка» (Header Lenght) визначає довжину заголовка в 32-розрядних словах. Мінімальний розмір заголовка - 5 слів (20 байт). Слід зазначити, що при збільшенні обсягу службової інформації ця довжина може бути збільшена за рахунок поля «Опції».

-Поле «Пріоритет і тип обслуговування» (Type of Service) визначає спосіб обслуговування дейтаграми. Протокол IP обробляє кожну дейтаграму незалежно від її належності до того чи іншого пакету. При цьому використовуються чотири основних механізми: установка типу сервісу, встановлення часу життя, установка опцій і обчислення контрольної суми заголовка. Типом сервісу характеризується набір послуг, які вимагаються від

маршрутизаторів в розподіленій мережі. Ці параметри повинні використовуватися для управління вибором реальних робочих характеристик при передачі дейтаграм. У деяких випадках передача дейтаграми здійснюється з установкою пріоритету, який дає даній дейтаграмі деякі переваги при обробці

впорівнянні з іншими.

-Поле «Час життя» (Time to live). При певних умовах IP-дейтаграми можуть потрапити в замкнутий логічний контур (петлю), утворений деякою групою маршрутизаторів. Іноді такі логічні контури існують протягом короткого проміжку часу, але іноді вони виявляються досить довговічними. Щоб позбавити мережу від дейтаграм, що циркулюють в логічних контурах занадто довго, протоколом IP встановлюється граничний термін перебування дейтаграми в мережі. Він задається в секундах(або відносних одиницях) і максимальне значення поля - 255. Насправді пакет ніколи не досягне такої межі, оскільки кожен пристрій, що функціонує на рівні 3 і вище, уздовж маршруту проходження, повинний зменшувати значення TTL хоча б на одиницю, навіть якщо пакет знаходився в цьому пристрої менше однієї секунди. Після того як значення поля TTL досягне нуля, пакет знищується. Таким чином пакет, який потрапив в маршрутний цикл, не буде циркулювати до нескінченності.

-Поле «Ідентифікатор» (Identification) використовується для розпізнавання дейтаграм, утворених в результаті фрагментації. Всі частини фрагментованої дейтаграми повинні мати однакове значення цього поля.

Рисунок 3 - Ідентифікатори поля «Протокол»

- Поле «Загальна довжина» (Total Length) вказує загальну довжину дейтаграми (заголовок і поле даних). Максимальний розмір дейтаграми може становити 65 535 байт. У переважній більшості мереж такий розмір дейтаграм не використовується. За стандартом RFC 791 всі пристрої в мережі повинні бути готові приймати дейтаграми довжиною 576 байт. Ці обмеження необхідні для передачі дейтаграм у фізичних кадрах. Передача дейтаграми в кадрі називається інкапсуляцією. З точки зору нижчих рівнів дейтаграма виглядає так само, як і будь-яке інше повідомлення в мережі.

Мережеве обладнання не працює з дейтаграмами, тому дейтаграма є частиною області даних кадру.

Функції фрагментації і збірки також покладено на протокол IP. Фрагментація - це поділ великої дейтаграми на кілька окремих частин. У

більшості локальних і глобальних мереж є обмеження на максимальний розмір одиниці переданої інформації. Цю величину називають максимальною одиницею передачі (MTU - Maximum Transfer Unit). Наприклад, в мережах Ethernet дана величина становить 1500 байт, а в мережах FDDI - 4096 байт.

Коли маршрутизатор переправляє дейтаграму з однієї мережі в іншу, може виявитися, що розмір дейтаграми виявиться неприпустимим в новій мережі. Специфікація IP передбачає наступне рішення цієї проблеми: маршрутизатор може розбити дейтаграму на дрібні фрагменти, прийнятні для вихідного середовища, а в пункті призначення ці фрагменти будуть об'єднані в дейтаграму початкового виду. Формовані маршрутизатором фрагменти ідентифікуються зміщенням відносно початку вихідної дейтаграми. Дейтаграма ідентифікується по відправникові, пункту призначення, типу протоколу більш високого рівня і 16-розрядному полю «Ідентифікатор». Все це в сукупності повинно утворювати унікальну комбінацію.

Слід підкреслити зв'язок між полями «Час життя» і «Ідентифікатор». Дійсно, щоб уникнути змішування фрагментів двох різних дейтаграм відправник IP-даних зобов'язаний виключити ситуацію, коли в один пункт призначення за одним і тим же протоколом протягом життєвого циклу дейтаграми будуть відправлено дві дейтаграми що збігаються ідентифікаторами. У зв'язку з тим, що ідентифікатор 16-розрядний, а найбільший час життя дейтаграми обчислюється хвилинами (будемо вважати, що воно близько 2 хвилин), отримуємо швидкість передачі - 546 дейтаграм в секунду. При максимальному розмірі дейтаграми, що дорівнює 64 Кбайт, маємо результуючу швидкість близько 300 Мбіт/с.

Проблема ефективного використання бітів ідентифікатора виявилася практично вирішеною з появою методу MTU Discovery, що дозволяє визначити значення MTU на всьому шляху до пункту призначення.

Фрагментація і складання виконуються автоматично і не вимагають від відправника спеціальних дій. Кожна фрагментована частина має той же формат, що й вихідна дейтаграма. Факт фрагментації підвищує ймовірність втрати вихідної дейтаграми, так як втрата навіть одного фрагмента призводить до втрати всієї дейтаграми. Складання дейтаграми здійснюється на місці призначення. Такий метод дозволяє маршрутизувати фрагменти незалежно.

-Поле «Прапори» (Flags) використовується при фрагментації. Нульове значення першого біта дозволяє фрагментацію, а одиничне - забороняє. Одиничний другий біт вказує на останній фрагмент дейтаграми.

-Поле «Зсув фрагмента» служить для вказівки зміщення даних у фрагменті щодо початку вихідної дейтаграми. Щоб отримати зсув в байтах, треба помножити значення цього поля на 8. Перший фрагмент завжди має нульовий зсув. Поле задіюється при складанні фрагментів дейтаграми після передачі по мережах з різними MTU.

-Поле «Протокол» (Protocol) ідентифікує протокол верхнього рівня, якому належить дейтаграма. При надходженні дейтаграми це поле вказує, яким додатком слід її передати.

-Поле «Контрольна сума» розраховується по всьому заголовку. Так як деякі поля заголовка міняють своє значення, наприклад «Час життя», при проходженні дейтаграми через маршрутизатори, контрольна сума перевіряється

і повторно розраховується при кожній модифікації заголовка. Визначення контрольної суми заголовка забезпечує безпомилковість передачі дейтаграми через мережу. Перед відправкою дейтаграми обчислюється контрольна сума, яка вноситься в її заголовок. При отриманні дейтаграми обчислюється її контрольна сума, яка порівнюється з відповідним значенням заголовку. При розбіжності дейтаграма відкидається. Контрольна сума заголовка дейтаграми застосовується і в багатьох інших протоколах, таких як UDP, TCP, ICMP і OSPF.

-Поля «Адреса відправника» і «Адреса одержувача» (Source Address, Desti nation Address) мають однакову довжину і структуру. Поля містять 32-розрядні IP-адреси відправника та одержувача дейтаграми.

-Поле «Опції» (Options) не обов'язкове і зазвичай використовується при налаштуванні мережі. У цьому полі може бути вказаний точний маршрут проходження дейтаграми в розподіленій мережі, дані про безпеку, різні часові позначки тощо. Поле не має фіксованої довжини, тому для вирівнювання заголовка дейтаграми по 32-розрядній межі передбачено наступне поле - поле «Вирівнювання» (Padding). При вирівнюванні поле заповнюється нулями.

Адресація IPv4

Перш ніж використовувати в мережі (підключеної до Інтернету) протоколи стеку TCP/IP, необхідно отримати одну або декілька офіційних мережевих адрес. Всі адреси привласнює одна організація - Internet Network Information Centre (InterNIC), що забезпечує їх унікальність. До квітня 1993 призначенням IP-адрес займалася організація Network Information Center (NIC). В даний час ця організація виконує запити тільки для мереж Defense Data Network (DDN), інакше кажучи для військових цілей. Організація InterNIC призначає тільки мережеву частину адреси, або мережевий префікс, залишаючи відповідальність за визначення номерів хостів у цій мережі самій організації, що запросила адресу.

Основи IP-адресації

Розглянемо основні компоненти IP-адресації, а саме: двійкова арифметика, застосування операції "І" і класи адрес. Це - абсолютно необхідні компоненти, які слід вивчити, щоб зрозуміти принципи організації підмереж.

Структура IP-адреси

При стандартизації протоколу IP у вересні 1981 року його специфікація вимагала, щоб кожен пристрій, підключений до мережі, мав унікальну 32-розрядну адресу. Ця адреса розбивається на дві частини. Перша частина адреси ідентифікує мережу, в якій розташовується пристрій. Друга частина однозначно ідентифікує сам пристрій. Така схема створює дворівневу адресну ієрархію.

Рисунок 4 - Структура IP-адреси

Рисунок 5 - Форми запису IP-адреси

Міжмережева схема адресації протоколу IP описана в документах RFC 990 і RFC 997. При розробці протоколів стеку TCP/IP розглядався цілий ряд методів ідентифікації кінцевих пристроїв в мережі. Остаточним стало рішення про присвоєння адреси як мережі, так і пристроїв в цій мережі. Основними доводами на користь такого підходу були: можливість завдання номерів мереж і пристроїв у них в широкому діапазоні значень і можливість реалізації маршрутизації. При цьому адреси повинні призначатися упорядковано, для того щоб зробити маршрутизацію більш ефективною.

У мережі, побудованій на базі протоколу TCP/IP, кінцеві пристрої отримують унікальні адреси. Ці пристрої можуть бути персональними комп'ютерами, комунікаційними серверами, маршрутизаторами тощо. Деякі пристрої, які мають декілька фізичних інтерфейсів, наприклад маршрутизатори, повинні мати унікальну адресу для кожного зі своїх інтерфейсів (портів). Виходячи зі схеми адресації і можливості того, що деякі пристрої в мережі будуть мати кілька адрес, напрошується висновок, що така схема адресації описує не сам пристрій в мережі, а певне з'єднання цього пристрою з мережею. Це призводить до ряду незручностей. Одним з них є необхідність заміни адреси пристрою при переміщенні його в іншу мережу. Основний же недолік в тому, що для роботи з пристроями, що мають кілька підключень у розподіленій мережі, необхідно знати всі його адреси, що ідентифікують ці підключення. Незнання хоча б однієї адреси може привести до того, що ці пристрої не отримають необхідну інформацію при відмові інших з'єднань.

Поле номера мережі в адресі називається мережевим префіксом. Це пов'язано з тим, що перший квадрант кожної IP-адреси ідентифікує номер мережі. Всі хости в певній мережі мають один і той же мережевий префікс, але при цьому номери хостів зобов'язані бути унікальними. Аналогічно, два будьяких хоста, розташовані в різних мережах, повинні мати різні мережеві префікси, але при цьому допускаються однакові номери хостів.

Крім того, що для кожного з'єднання IP потрібно, щонайменше, одна унікальна IP-адреса. Зазвичай для встановлення зв'язку по протоколу IP потрібні ще два додаткові компоненти: маска підмережі та адресу шлюзу, що застосовується за замовчанням.

Маска підмережі необхідна у всіх реалізаціях протоколу IP. Вона визначає, яка частина адреси відноситься до хосту, і яка - до мережі. Для цього використовується логічна операція "І" (AND). Операція "І" в двійковій

арифметиці виконується дуже просто. Вона, по суті, являє собою множення значень в однакових позиціях. Щоб визначити адресу мережі (ту частину IPадреси, яка визначає, до якої мережі належить вузол), досить просто перемножити значення позицій двійкового подання IP-адреси і значення відповідних позицій двійкового подання маски підмережі. Результатом є двійкове число, яке потрібно знову перетворити в десяткове, щоб дізнатися адресу мережі. Після цього з'являється можливість застосувати маршрутизацію. Маршрутизацією називається дія по перенаправлення пакета з однієї логічної мережі (або підмережі) в іншу. А маршрутизатор - це просто пристрій, що виконує таку дію.

Рисунок 6 - Основний принцип використання операції «І»

При виникненні необхідності передати інформацію з одного хоста на інший в хості відправника береться IP-адреса хоста одержувача і власна IP-адреса, після чого з обома адресами виконується операція "І". Якщо отриманий результат для обох адрес є однаковим, хост відправника приймає припущення, що він знаходиться в тій же логічній мережі, що й хост одержувача, і між ними можлива безпосередня взаємодія. А якщо результати виявляться різними, то передбачається, що хости знаходяться в різних логічних мережах (тобто розділені маршрутизатором) і тому повинні використовувати маршрутизатор, щоб зв'язатися один з одним.

Якщо хости перебувають в одній і тій же логічній мережі, в них повинні збігатися не тільки частини IP-адреси з позначенням мережі, а й маски підмережі. Якщо ці компоненти адреси не збігаються, операція "і" виконується неправильно і зв'язок порушується.

Класи IP-адрес і правила їх застосування

Для забезпечення гнучкості у привласненні адрес комп'ютерним мережам розробники визначили, що адресний простір протоколу IP має бути розділений на три основних різних класи - А, В і С. Кожен з цих основних класів фіксує межу між мережевим префіксом і номером хоста в різних точках 32-розрядного адресного простору. На рисунку показані формати основних класів.