4к8с Инфокоммуникационные системы и сети / 1 / 1586426891_ПР3

Цель работы: приобретение теоретических и практических навыков выделения подсетей в организации, назначения адресов устройствам в подсетях и использование масок подсети переменной длины.

Основные понятия

Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) является промышленным стандартом, разработанным для глобальных сетей. Стандарты, регламентирующие работу TCP/IP,

опубликованы в серии документов RFC (Request for Comments).

Стек TCP/IP был разработан по инициативе Министерства обороны США для связи экспериментальной сети ARPANET с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. В этой сети связь между двумя компьютерами осуществлялась с использованием протокола Internet Protocol (IP), который и по сей день является одним из основных в стеке TCP/IP и фигурирует в названии стека.

Стандарт протокола IP (RFC 760) был принят в январе 1980 года,

действующая версия протокола (сентябрь 1981 г.) описана в RFC 791.

Новая версия IPv6 определена в нескольких стандартах RFC 2460 (декабрь

1998 г.), RFC 3513 (апрель 2003 г.) и других.

Протокол IP составляет основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP. К основным его функциям относятся: перенос между сетями различных типов адресной информации в унифицированной форме,

сборка и разборка пакетов при передаче их между сетями с различным максимальным значением длины пакета.

1. Адресная схема протокола IP

Межсетевая схема адресации, применяемая в протоколе IP, описана в документах RFC 990 и RFC 997. В ее основе лежит разделение адресации сетей от адресации устройств в этих сетях. Такая схема облегчает

2

маршрутизацию, при этом адрес должен назначаться последовательно, для того чтобы сделать маршрутизацию более эффективной.

Согласно этой схеме выделяются три основных класса IP-адресов —

A, B и C. Одно из основных достоинств использования классов заключается в том, что по классу адреса можно определить, где проходит граница между сетевым префиксом и номером устройства. Сетевым префиксом называется поле в IP адресе обозначающее номер сети.

Например, если старшие два бита адреса равны 10, то сетевой префикс занимает первые 15 бит (принято биты в IP адресе нумеровать слева на право).

Недостатком такого метода является необходимость изменения сетевого адреса при подключении дополнительных устройств. Например,

если общее число устройств в сети класса C будет превышать 255, то потребуется заменить ее адрес на адрес класса B. Придется запретить использовать целую группу сетевых адресов, производить одновременное изменение всех адресов устройств в этой группе, и только затем вновь разрешить их использование в сети.

Рисунок 1 — Три класса IP-адресов

Класс A предназначен для больших сетей. Каждый адрес класса A

имеет 8-битовый префикс сети, в котором старший бит установлен в 0, а

следующие семь бит используются для номера сети. Максимальное число сетей класса A составляет 126 (27-2 вычитаются два адреса, состоящих из одних нулей и единиц).

3

Класс B предназначен для сетей среднего размера. Каждый адрес класса B имеет 16-битовый сетевой префикс, в котором два старших бита равны 10, а следующие 14 бит используются для номера сети.

Максимальное число сетей класса B равно 16382.

Адреса класса C используются в сетях с небольшим количеством устройств. Каждая сеть класса C имеет 24-битный сетевой префикс, в

котором три старших бита равны 110, а следующие 21 бит используются для номера сети. Максимальное число сетей класса C составляет 2097152.

В дополнении к этим трем классам адресов выделяют еще два класса — D и E. В классе D старшие четыре бита равны 1110, этот класс используется для групповой передачи данных. В классе E старшие четыре бита равны 1111. Он зарезервирован для проведения экспериментов.

Рисунок 2 — Формат адресов сетей класса D и E

Протокол IP поддерживает три способа адресации:

единичная (unicast);

широковещательная (broadcast);

групповая (multicast).

При единичной адресации дейтаграммы посылаются конкретному единичному устройству. Следует отметить, что существует зарезервированный адрес класса A — 127.0.0.0. Он зарезервирован для обратной связи и введен для проверки взаимодействия между процессами на одной машине.

При широковещательной адресации приложение посылает одну дейтаграмму, причем она доставляется всем устройствам сети.

Широковещательная адресация разделяется на направленную и ограниченную. Направленное широковещание позволяет устройству из

4

удаленной сети послать дейтаграмму всем устройствам в текущей сети.

Дейтаграммы с направленным широковещательным адресом могут проходить через маршрутизаторы, но доставлены они будут только всем устройствам в указанной сети, а не вообще всем устройствам. С точки зрения адресации, главным недостатком направленного широковещания является то, что требуется знание номера целевой сети. При ограниченном широковещании передача осуществляется в рамках текущей сети (сети, где находится устройство отправитель). Дейтаграммы с ограниченным широковещательным адресом никогда не будут пропущены через маршрутизатор.

При групповой адресации дейтаграммы доставляются определенной группе устройств. При этом используется групповой адрес класса D.

Групповой адрес присваивается устройствам-получателям или иными словами группе. Первые четыре бита адреса класса D равны 1110,

остальная часть адреса (28 бит) занимает идентификатор группы.

2. Выделение IP подсетей

Далее рассмотрим пример выделения подсетей в организации,

назначения адресов устройствам в подсетях и использование масок подсетей переменной длинны. Предположим, что организации для ее корпоративной сети назначен сетевой номер: 140.25.0.0/16 (IP-адрес класса B). При этом организация планирует разделить сеть на несколько подсетей, каждая из которых должна поддерживать до 60 устройств.

На первом шаге необходимо определить число бит, необходимых для идентификации 60 устройств в подсети. Адрес конкретного устройства имеет определенное двоичное представление, и верхняя граница адресного пространства для устройств одной подсети определяется степенью двойки.

Это, в частности, означает, что невозможно выделить адресное пространство ровно для 60 устройств, так как 60 — не степень двойки.

Ближайшая сверху степень двойки это 64=26. Следует помнить, что к

5

числу устройств следует прибавить 2, так как адреса, содержащие все нули или только единицы, не используются для адресации отдельных устройств.

Здесь мы видим, что необходимый задел есть: 60+2=62<64. Однако,

удовлетворяя существующие на сегодняшний день потребности по числу рабочих мест, такой выбор не оставляет адресного пространства для возможного роста подсетей (в наличие имеется всего 2 свободных адреса:

64-62=2). И хотя следующая степень двойки равно 128 (27) и число адресов устройств будет равно 128-2=126, то есть намного больше требуемого на сегодняшний момент, следует выбрать именно это адресное пространство и получить 66 (126-60=66) дополнительных адресов для каждой подсети.

Такой выбор означает, что поле адреса устройства займет 7 бит.

На втором шаге определяется маска подсети и длинна расширенного сетевого префикса. Так как для идентификации устройств из 32-разрядного

IP-адреса решено выделить 7 бит, то получаем расширенный сетевой префикс равный /25 (32-7=25). Такой 25-разрядный расширенный сетевой префикс может быть выражен в десятично-точечном представлении маской подсети 255.255.255.128. На рисунке 3 показана запись маски подсети и расширенного сетевого префикса.

Рисунок 3 — Определение маски подсети и расширенного сетевого префикса

Из рисунка видно, что 25-разрядный сетевой префикс предполагает выделение 9 бит (25-16=9, 16 бит — адрес провайдера) для идентификации

6

подсетей. Теперь можно вычислить количество идентифицируемых подсетей: 29=512, то есть 9 бит позволяют назначить адреса 512 подсетям.

Выделенные 512 подсетей пронумеруем от 0 до 511. Для выделенных 9 разрядов двоичного представления десятичных чисел от 0 до 511, получим: 0 (000000000)2, 1 (000000001)2, 2 (000000010)2, 3 (000000011)2,

… , 511 (111111111)2. Например, для определения подсети №3 необходимо разместить двоичное представление числа 3 (000000011)2 в 9 битах номера подсети (рисунок 4).

Адрес подсети №3

140 25 1 128

1 0 0 0 1 1 0 0 . 0 0 0 1 1 0 0 1 . 0 0 0 0 0 0 0 1 . 1 0 0 0 0 0 0 0

Рисунок 4 — Адрес подсети №3 Для определения адресов устройств необходимо все устройства в

подсети пронумеровать от 1 до 126. Затем номер каждого устройства записывается, в выделенных 7 разрядах, в двоичном виде. Перечень адресов устройств для подсети №3 представлен на рисунке 5.

Адрес подсети №3

Рисунок 5 — Перечень адресов устройств для подсети №3

7

Помимо адресов устройств для каждой подсети существует адрес широковещательной рассылки. Для определения этого адреса необходимо все биты поля адреса устройства установить в единицу (рисунок 6). Следует отметить, что широковещательный адрес для подсети №3 ровно на единицу меньше базового адреса подсети №4.

140 25 1 255

1 0 0 0 1 1 0 0 . 0 0 0 1 1 0 0 1 . 0 0 0 0 0 0 0 1 . 1 1 1 1 1 1 1 1

Рисунок 6 — Адрес широковещательной рассылки для подсети №3

3. Использование маски подсети переменной длины

Предположим, что организации был выделен тот же адрес

(140.25.0.0/16), и она планирует использовать маску подсети переменной длины. На рисунке 7 показана схема выделения адресов этой организации.

Рисунок 7 — Стратегия выделения подсетей Первый шаг в процессе выделения подсетей состоит в делении

основного сетевого адреса (140.25.0.0/16) на 16 адресных блоков (подсетей) равного размера. Затем подсеть №14 делится на 17 адресных блоков равного размера (подсетей нижнего уровня). Таким образом, в сети организации планируется использовать 33 подсети (16 I уровня и 17 II уровня), каждая из которых будет поддерживать необходимое количество устройств.

Так как 16=24, то потребуется четыре бита, чтобы идентифицировать каждую из 16 подсетей I уровня. Это означает, что организация нуждается в расширенном сетевом префиксе /20 (16+4=20), для того, чтобы выделить 16 подсетей I уровня. Каждая из этих подсетей представляет

8

смежный бок из 212 (32-20=12) адресов устройств. Таким образом, мы получаем 212-2=4094 устройств. На рисунке 8 представлены адреса подсетей I уровня, здесь СI — поле адресов подсетей I уровня, УI — поле адресов узлов подсетей I уровня.

Рисунок 8 — Адреса подсетей I уровня

Методика определения адресов устройств подсетей I и II уровня аналогична описанной выше методике, и в дальнейшем этот вопрос рассматриваться не будет.

После того как основной сетевой адрес разделен на шестнадцать подсетей, подсеть №14 делится на 17 адресных блоков равного размера. Так как 17<32=25, то, чтобы идентифицировать каждую из 17 подсетей, требуется еще 5 бит. Это означает, что организация будет должна использовать расширенный сетевой префикс, равный /25 (16+4+5=25).

Каждая из этих подсетей представляет смежный бок из 27 (32-25=7)

адресов устройств. Таким образом, мы получаем 27-2=126 устройств.

9

На рисунке 9 представлены адреса 17 подсетей из адресного блока

140.25.224.0/20 (это адрес подсети I уровня №14) , здесь СI — поле адресов подсетей I уровня, СII — поле адресов подсетей II уровня, УII — поле адресов узлов подсетей II уровня.

Рисунок 9 — Адреса подсетей II уровня организованных

в подсети I уровня №14

Технология выполнения работы

1. Определить для указанного варианта в таблице 1 IP-адреса: адрес сети, адрес широковещательной рассылки, а также доступный первый и последний IP-адрес узла. Возможно, указанный адрес будет адресом сети или широковещательным адресом. Затем требуется разделить указанную сеть на определенное количество подсетей по варианту.

Таблица 1 — Варианты для задания 1