ГОСЫ / Kolchin

10. Адресация межсетевого протокола. Маска подсети.

В стеке TCP/IP используются три типа адресов: локальные (называемые также аппаратными), IPадреса и символьные доменные имена.

МАС - адрес назначается сетевым адаптерам и сетевым интерфейсам маршрутизаторов. МАС - адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными, так как управляются централизованно. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС - адрес имеет формат 6 байт, например 11-AO-17-3D-BC-01.

IP-адреса представляют собой основной тип адресов, на основании которых сетевой уровень передает пакеты между сетями. Эти адреса состоят из 4 байт, например 109.26.17.100. IP-адрес назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IPадрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Internet Network Information Center, InterNIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно поставщики услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений InterNIC, а затем распределяют их между своими абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей. Поэтому каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP-адрес. Конечный узел также может входить в несколько IP-сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

Символьные доменные имена. Символьные имена в IP-сетях называются доменными и строятся по иерархическому признаку. Составляющие полного символьного имени в IP-сетях разделяются точкой и перечисляются в следующем порядке: сначала простое имя конечного узла, затем имя группы узлов (например, имя организации), затем имя более крупной группы (поддомена) и так до имени домена самого высокого уровня (например, домена объединяющего организации по географическому принципу: RU - Россия, UK - Великобритания, SU - США), Примеров доменного имени может служить имя base2.sales.zil.ru. Между доменным именем и IP-адресом узла нет никакого алгоритмического соответствия, поэтому необходимо использовать какие-то дополнительные таблицы или службы, чтобы узел сети однозначно определялся как по доменному имени, так и по IP-адресу. В сетях TCP/IP используется специальная распределенная служба Domain Name System (DNS), которая устанавливает это соответствие на основании создаваемых администраторами сети таблиц соответствия. Поэтому доменные имена называют также DNSименами.

IP-адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая - к номеру узла, определяется значениями первых бит адреса. Значения этих бит являются также признаками того, к какому классу относится тот или иной IPадрес.

Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей.)

Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В. В сетях класса В под номер сети и под номер узла отводится по 16 бит, то есть по 2 байта. Таким образом, сеть класса В является сетью средних размеров с максимальным числом узлов 216, что составляет 65 536 узлов

(128.0..-191.255…).

Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С. В этом случае под номер сети отводится 24 бита, а под номер узла - 8 бит. Сети этого класса наиболее распространены, число узлов в них ограничено 28, то есть 256 узлами (192.0.0..- 223.255.255..).

Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес (224.0.0.0- 239.255.255).

Если адрес начинается с последовательности 11110, то это значит, что данный адрес относится к классу Е. Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений.

Зарезервированы:

0.0.0.0 – данный узел в сети

255.255.255.255 – все узлы в IP-сети

127... – петля – взаимодействие в пределах одной машины

Маска - это число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит единицы в тех разрядах, которые должны в IP-адресе интерпретироваться как номер сети. Поскольку номер сети является цельной частью адреса, единицы в маске также должны представлять непрерывную последовательность.

Для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:

класс А - 11111111. 00000000. 00000000. 00000000 (255.0.0.0);

класс В - 11111111. 11111111. 00000000. 00000000 (255.255.0.0);

класс С-11111111.11111111.11111111.00000000 (255.255.255.0).

22

11. ARP-протокол. Примеры запроса/ответа, обнаружение конфликта IP-адресов

Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адреса (Address Resolution Protocol, ARP). Необходимость в обращении к протоколу ARP возникает каждый раз, когда модуль IP передает пакет на уровень сетевых интерфейсов, например драйверу Ethernet. IP-адрес узла назначения известен модулю IP. Требуется на его основе найти МАС - адрес узла назначения.

Работа протокола ARP начинается с просмотра так называемой АRР-таблицы. Каждая строка таблицы устанавливает соответствие между IP-адресом и МАС - адресом. Для каждой сети, подключенной к сетевому адаптеру компьютера или к порту маршрутизатора, строится отдельная ARP-таблица.

Итак, после того как модуль IP обратился к модулю ARP с запросом на разрешение адреса, происходит поиск в ARP-таблице указанного в запросе IP-адреса. Если таковой адрес в ARPтаблице отсутствует, то исходящий IP-пакет, для которого нужно было определить локальный адрес, ставится в очередь. Далее протокол ARP формирует свой запрос (ARP-запрос), вкладывает его в кадр протокола канального уровня и рассылает запрос широковещательно.

Все узлы локальной сети получают ARP-запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IPадрес и свой локальный адрес, а затем отправляет его уже направленно, так как в ARP-запросе отправитель указывает свой локальный адрес. ARP-запросы и ответы используют один и тот же формат пакета.

Ответ присылает узел, опознавший свой IP-адрес. Получает этот ответ машина, сделавшая ARPзапрос. Если в сети нет машины с искомым IP-адресом, то ARP-ответа не будет. Протокол IP уничтожает IP-пакеты, направляемые по этому адресу. (Заметим, что протоколы верхнего уровня не могут отличить случай повреждения сети Ethernet от случая отсутствия машины с искомым IPадресом.) Если такой IP есть, то модуль ARP анализирует ARP-ответ и добавляет запись в свою ARP-таблицу. Новая запись в ARP-таблице появляется автоматически, спустя несколько миллисекунд после того, как она потребовалась. Если запись не обновлялась в течение определенного времени (порядка нескольких минут, примерно 10 мин), то она исключается из таблицы. Таким образом, в ARP - таблице содержатся записи не обо всех узлах сети, а только о тех, которые активно участвуют в сетевых операциях. Поскольку такой способ хранения информации называют кэшированием, ARP-таблицы иногда называют ARP-кэш.

ARP — протокол канального уровня, предназначенный для определения MAC-адреса по известному IP-адресу. Наибольшее распространение этот протокол получил благодаря повсеместности сетей IP, построенных поверх Ethernet, поскольку практически в 100 % случаев при таком сочетании используется ARP.

ARP был спроектирован для случая передачи IP-пакетов через сегмент Ethernet.

Существуют следующие типы сообщений ARP: запрос ARP (ARP request) и ответ ARP (ARP reply). Система-отправитель при помощи запроса ARP запрашивает физический адрес системыполучателя. Ответ (физический адрес узла-получателя) приходит в виде ответа ARP.

Перед тем как передать пакет сетевого уровня через сегмент Ethernet, сетевой стек проверяет кэш ARP, чтобы выяснить, не зарегистрирована ли в нём уже нужная информация об узле-получателе. Если такой записи в кэше ARP нет, то выполняется широковещательный запрос ARP. Этот запрос для устройств в сети имеет следующий смысл: «Кто-нибудь знает физический адрес устройства,

23

обладающего следующим IP-адресом?» Когда получатель с этим IP-адресом примет этот пакет, то должен будет ответить: «Да, это мой IP-адрес. Мой физический адрес следующий: …» После этого отправитель обновит свой кэш ARP и будет способен передать информацию получателю.

Записи в кэше ARP могут быть статическими и динамическими. Пример, данный выше, описывает динамическую запись кэша. Можно также создавать статические записи в таблице ARP. Это можно сделать при помощи команды:

arp -s <IP-адрес> <MAC-адрес>

Записи в таблице ARP, созданные динамически, остаются в кэше в течение 2-х минут. Если в течение этих двух минут произошла повторная передача данных по этому адресу, то время хранения записи в кэше продлевается ещё на 2 минуты. Эта процедура может повторяться до тех пор, пока запись в кэше просуществует до 10 минут. После этого запись будет удалена из кэша, и будет отправлен повторный запрос ARP.

Необходимость в обращении к протоколу ARP возникает каждый раз, когда модуль IP передает пакет на уровень сетевых интерфейсов, например драйверу Ethernet. IP-адрес узла назначения известен модулю IP. Требуется на его основе найти МАС - адрес узла назначения.

Для каждой сети, подключенной к сетевому адаптеру компьютера или к порту маршрутизатора, строится отдельная ARP-таблица.

Если в сети нет машины с искомым IP-адресом, то ARP-ответа не будет. Протокол IP уничтожает IP-пакеты, направляемые по этому адресу. (Заметим, что протоколы верхнего уровня не могут отличить случай повреждения сети Ethernet от случая отсутствия машины с искомым IP-адресом.) Если такой IP есть, то модуль ARP анализирует ARP-ответ и добавляет запись в свою ARP-таблицу. Новая запись в ARP-таблице появляется автоматически, спустя несколько миллисекунд после того, как она потребовалась. Таким образом, в ARP - таблице содержатся записи не обо всех узлах сети, а только о тех, которые активно участвуют в сетевых операциях.

Структура ARP-заголовка:

1.Аппаратный тип – в какой сети используется – 2 байта

2.Тип протокола (IP) – 2 байта

3.Длина аппаратного адреса – 1 байт (6, т.к. длина MAC-адреса равна 6)

4.Длина адреса сетевого протокола – 1 байт (4, т.к. IPv4)

5.Режим работы – ARP-запрос или ARP-ответ – 2 байта

6.Аппаратный адрес отправителя – 6 байт

7.Адрес протокола-отправителя – 4 байта

8.Аппаратный адрес получателя – 6 байт

9.Адрес протокола-получателя – 4 байта

ARP-протокол посылается на сетевом уровне. Используется только для разрешения адресов, никакой информации от протоколов верхних уровней он передать не может.

24

12. Фрагментация протокола IP

IP-пакет — форматированный блок информации, передаваемый по компьютерной сети, структура которого определена протоколом IP. В отличие от них, соединения компьютерных сетей, которые не поддерживают IP-пакеты, такие как традиционные соединения типа «точка-точка» в телекоммуникациях, просто передают данные в виде последовательности байтов, символов или битов. При использовании пакетного форматирования сеть может передавать длинные сообщения более надежно и эффективно.

IP-фрагментация это разбиение датаграммы на множество частей, которые могут быть повторно собраны позже. Для IP-фрагментации и повторной сборки используются такие поля из IP заголовка как источник, адресат, идентификация, полная длина, и смещение фрагмента, наряду с флажками "больше фрагментов" (MF) и "не фрагментировать" (DF).

Фрагментация – это разбивка полезной нагрузки на части. Для нее используются 3 поля из IPзаголовка – 5 (идентификатор пакета), 6 (поле флагов), 7 (смещение фрагмента).

IP-пакет может быть помечен как не фрагментируемый. Любой пакет, помеченный таким образом, не может быть фрагментирован модулем IP ни при каких условиях. Если же пакет, помеченный как не фрагментируемый, не может достигнуть получателя без фрагментации, то этот пакет просто уничтожается, а узлу-отправителю посылается соответствующее ICMP-сообщение.

Поле смещения фрагмента сообщает получателю положение фрагмента в исходном пакете. Смещение фрагмента и длина определяют часть исходного пакета, принесенную этим фрагментом. Флаг «more fragments» показывает появление последнего фрагмента. Модуль протокола IP, отправляющий неразбитый на фрагменты пакет, устанавливает в нуль флаг «more fragments» и смещение во фрагменте.

Чтобы собрать фрагменты пакета, модуль протокола IP (например, модуль на хост - компьютере) объединяет IP-пакеты, имеющие одинаковые значения в полях идентификатора, отправителя, получателя и протокола. Таким образом, отправитель должен выбрать идентификатор таким образом, чтобы он был уникален для данной пары отправитель-получатель, для данного протокола и в течение того времени, пока данный пакет (или любой его фрагмент) может существовать в составной IP-сети.

Каждый модуль IP должен быть способен передать пакет из 68 байт без дальнейшей фрагментации. Это связано с тем, что IP-заголовок может включать до 60 байт, а минимальный фрагмент данных - 8 байт. Каждый получатель должен быть в состоянии принять пакет из 576 байт в качестве единого куска либо в виде фрагментов, подлежащих сборке.

25

13. ICMP-сообщения

ICMP (Internet Control Message Protocol — межсетевой протокол управляющих сообщений) — сетевой протокол, входящий в стек протоколов TCP/IP. В основном ICMP используется для передачи сообщений об ошибках и других исключительных ситуациях, возникших при передаче данных. Также на ICMP возлагаются некоторые сервисные функции. Хотя формально ICMP использует IP (ICMP пакеты инкапсулируются в IP пакеты), он является неотъемлемой частью IP и обязателен при реализации стека TCP/IP.

Протокол ICMP не делает протокол IP средством надёжной доставки сообщений. Для этих целей существует TCP.

Структура ICMP-заголовка:

1.Тип – 1 байт

2.Код – 1 байт

3.Контрольная сумма – 2 байта

4.Содержание сообщения (зависит от значений полей «Код» и «Тип»)

Типы:

0 – отклик

3 – адресат не достижим

4 – обрыв передачи

5 – переадресация

8 – эхо (запрос отклика)

9 – объявление маршрутизатора

10 – выбор маршрутизатора

11 – время истекло

12 – ошибка параметров

Технические подробности

ICMP-сообщение строится из IP-пакетов, сгенерировавших ICMP-ответ. IP инкапсулирует (скрывает) соответствующее ICMP-сообщение с новым заголовком IP (чтобы отправить ICMPсообщение обратно отправителю) и передает полученные пакеты дальше.

Например, каждая машина (такая, как маршрутизатор), которая перенаправляет IP-пакеты, уменьшает Time to live (TTL) поля заголовка IP на единицу, если TTL достигает 0, ICMP-сообщение о превышении TTL отправляется на источник пакета.

ICMP основан на протоколе IP. Каждое ICMP-сообщение инкапсулируется непосредственно в пределах одного IP-пакета, и, таким образом, как и UDP и в отличие от TCP, ICMP является т. н.

26

"ненадежным" (не контролирующим доставку и её правильность). В отличие от UDP, где реализация надёжности возложена на ПО прикладного уровня, ICMP (в силу специфики применения) обычно не нуждается в реализации надёжной доставки. Его цели отличны от целей транспортных протоколов, таких как TCP и UDP: он, как правило, не используется для передачи и приема данных между конечными системами. ICMP не используется непосредственно в приложениях пользователей сети (исключение составляют инструменты Ping и Traceroute). Тот же Ping, например, служит обычно как раз для проверки потерь IP-пакетов на маршруте.

Использование ICMP-сообщений

ICMP-сообщения (тип 12) генерируются при нахождении ошибок в заголовке IP-пакета (за исключением самих ICMP-пакетов, дабы не привести к бесконечно растущему потоку ICMPсообщений об ICMP-сообщениях).

ICMP-сообщения (тип 3) генерируются маршрутизатором при отсутствии маршрута к адресату.

Утилита Ping, служащая для проверки возможности доставки IP-пакетов, использует ICMPсообщения с типом 8 (эхо-запрос) и 0 (эхо-ответ).

Утилита Traceroute, отображающая путь следования IP-пакетов, использует ICMP-сообщения с типом 11.

ICMP-сообщения с типом 5 используются маршрутизаторами для обновления записей в таблице маршрутизации отправителя.

ICMP-сообщения с типом 4 используются получателем (или маршрутизатором) для управления скоростью отправки сообщений отправителем.

27

14. IPv6

IPv6 (Internet Protocol version 6) — это новая версия протокола IP, призванная решить проблемы, с которыми столкнулась предыдущая версия (IPv4) при её использовании в Интернете, за счёт использования длины адреса 128 бит вместо 32. В настоящее время протокол IPv6 уже используется

внескольких сотнях сетей по всему миру, но пока ещё не получил столь широкого распространения

вИнтернете, как IPv4. Протокол был разработан IETF.

По прогнозам, после того, как адресное пространство в IPv4 закончится (предположительно 20112012 г.), произойдёт ситуация, когда два стека протоколов — IPv6 и IPv4 будут использоваться параллельно (dual stack), с постепенным увеличением доли трафика IPv6 по сравнению с IPv4. Такая ситуация станет возможной из-за наличия огромного количества устройств, в том числе устаревших, не поддерживающих IPv6 и требующих специального преобразования для работы с устройствами, использующими только IPv6.

Существуют различные типы адресов IPv6: одноадресные (Unicast), групповые (Anycast) и многоадресные (Multicast).

Адреса типа Unicast хорошо всем известны. Пакет, посланный на такой адрес, достигает в точности интерфейса, который этому адресу соответствует.

Адреса типа Anycast синтаксически неотличимы от адресов Unicast, но они адресуют группу интерфейсов. Пакет, направленный такому адресу, попадёт в ближайший (согласно метрике маршрутизатора) интерфейс. Адреса Anycast могут использоваться только маршрутизаторами.

Адреса типа Multicast идентифицируют группу интерфейсов. Пакет, посланный на такой адрес, достигнет всех интерфейсов, привязанных к группе многоадресного вещания.

Широковещательные адреса IPv4 (обычно xxx.xxx.xxx.255) выражаются адресами многоадресного вещания IPv6.

Введение в протоколе IPv6 поля «Метка потока» позволяет значительно упростить процедуру маршрутизации однородного потока пакетов. Поток - это последовательность пакетов, посылаемых отправителем определённому адресату. При этом предполагается, что все пакеты данного потока должны быть подвергнуты определённой обработке. Характер данной обработки задаётся дополнительными заголовками.

Допускается существование нескольких потоков между отправителем и получателем. Метка потока присваивается узлом-отправителем путём генерации псевдослучайного 24-битного числа. Все пакеты одного потока должны иметь одинаковые заголовки, обрабатываемые маршрутизатором.

Internet Protocol (IP) — межсетевой протокол. Относится к маршрутизируемым протоколам сетевого уровня семейства TCP/IP. Именно IP стал тем протоколом, который объединил отдельные подсети во всемирную сеть Интернет. Неотъемлемой частью протокола является адресация сети (см. IP-адрес).

Свойства

IP объединяет сегменты сети в единую сеть, обеспечивая доставку данных между любыми узлами сети. Он классифицируется как протокол третьего уровня по сетевой модели OSI. IP не гарантирует надёжной доставки пакета до адресата. В частности, пакеты могут прийти не в том порядке, в

28

котором были отправлены, продублироваться (приходят две копии одного пакета), оказаться повреждёнными (обычно повреждённые пакеты уничтожаются) или не прийти вовсе. Гарантию безошибочной доставки пакетов дают некоторые протоколы более высокого уровня — транспортного уровня сетевой модели OSI, — например, TCP, которые используют IP в качестве транспорта.

Версия 4

Основная статья: IPv4

В современной сети Интернет используется IP четвёртой версии, также известный как IPv4. В

начальными битами адреса. Количество этих бит, общее для данной подсети, называется маской подсети (ранее использовалось деление пространства адресов по классам — A, B, C; класс сети определялся диапазоном значений старшего октета и определял число адресуемых узлов в данной сети, сейчас используется бесклассовая адресация).

Версия 6

Основная статья: IPv6

В настоящее время вводится в эксплуатацию шестая версия протокола — IPv6, которая позволяет адресовать значительно большее количество узлов, чем IPv4. Эта версия отличается повышенной разрядностью адреса, встроенной возможностью шифрования и некоторыми другими особенностями. Переход с IPv4 на IPv6 связан с трудоёмкой работой операторов связи и производителей программного обеспечения и не может быть выполнен одномоментно. На середину 2010 года в Интернете присутствовало более 3000 сетей, работающих по протоколу IPv6. Для сравнения, на то же время в адресном пространстве IPv4 присутствовало более 320 тысяч сетей, но в IPv6 сети гораздо более крупные, нежели в IPv4.

29

15. Маршрутизация в ЛВС

Важнейшей задачей сетевого уровня является маршрутизация - передача пакетов между двумя конечными узлами в составной сети.

В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Маршрут - это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения. Задачу выбора маршрута из нескольких возможных решают маршрутизаторы, а также конечные узлы. Маршрут выбирается на основании имеющейся у этих устройств информации о текущей конфигурации сети, а также на основании указанного критерия выбора маршрута. Обычно в качестве критерия выступает задержка прохождения маршрута отдельным пакетом или средняя пропускная способность маршрута для последовательности пакетов. Часто также используется весьма простой критерий, учитывающий только количество пройденных в маршруте промежуточных маршрутизаторов (хопов).

Чтобы по адресу сети назначения можно было бы выбрать рациональный маршрут дальнейшего следования пакета, каждый конечный узел и маршрутизатор анализируют специальную информационную структуру, которая называется таблицей маршрутизации (в ней указывается, кто передает, т.е. IP-адрес отправителя, маска, кому передают и т.д.).

Маршрутизатор (роутер) — специализированный сетевой компьютер, имеющий минимум два сетевых интерфейса и пересылающий пакеты данных между различными сегментами сети, принимающий решения о пересылке на основании информации о топологии сети и определённых правил, заданных администратором.

Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.

Обычно маршрутизатор использует адрес получателя, указанный в пакетных данных, и определяет по таблице маршрутизации путь, по которому следует передать данные. Если в таблице маршрутизации для адреса нет описанного маршрута, пакет отбрасывается.

Маршрутизаторы делятся на программные и аппаратные. Маршрутизатор работает на более высоком «сетевом» уровне 3 сетевой модели OSI.

маршрутизатора. Является простейшей формой правил маршрутизации.

MAC-адрес (от англ. Media Access Control — управление доступом к среде, также Hardware Address) — это уникальный идентификатор, присваиваемый каждой единице оборудования компьютерных сетей. Адреса в каждом из пространств теоретически должны быть глобально уникальными.

В широковещательных сетях (таких, как сети на основе Ethernet) MAC-адрес позволяет уникально идентифицировать каждый узел сети и доставлять данные только этому узлу. Таким образом, MACадреса формируют основу сетей на канальном уровне, которую используют протоколы более высокого (сетевого) уровня. Для преобразования MAC-адресов в адреса сетевого уровня и обратно применяются специальные протоколы (например, ARP и RARP в сетях IPv4 и NDP в сетях на основе IPv6).

30