Адресация в IP-сетях

 
Кафедра ИКТ

Курсовая работа

по дисциплине: Основы построения объединенных сетей

на тему:

Адресация в IP-сетях

Москва 2009 г.

Аннотация

В курсовой работе будет рассмотрена  адресация в IP-сетях, типы адресов, их основные классы и способы отображения, соглашение о специальных адресах, а также автоматизация процесса назначения IP-адресов с помощью  протокола DHCP, в качестве практического  задания будет разобран пример настройки DHCP-сервера.

Содержание

• Введение
• 1. Типы адресов
• 2. Классы IP-адресов
• 3. Соглашения о специальных адресах
• 4. Отображение адресов
• 4.1 Отображение физических адресов на IP-адреса: протоколы ARP и RARP
• 4.2 Отображение символьных адресов на IP-адреса: служба DNS
• 5. Автоматизация процесса назначения IP-адресов узлам сети - протокол DHCP
• 6. Пример настройки DHCP-сервера
• Заключение
• Литература
• Введение
• Значительная часть технологии TCP/IP направлена на решение следующих задач адресации:
• l Задача согласованного использования адресов различного типа включает отображение адресов разных типов, например, преобразование сетевого IP-адреса в локальный, доменного имени -- в IP-адрес.
• l Обеспечение уникальности адресов. В зависимости от типа адреса требуется обеспечивать однозначность адресации в пределах компьютера, подсети, корпоративной сети или Интернета.
• l Конфигурирование сетевых интерфейсов и сетевых приложений.
• Каждая из перечисленных задач имеет достаточно простое решение для сети, число узлов которой не превосходит нескольких десятков. Например, для отображения символьного доменного имени в IP-адрес достаточно поддерживать на каждом хосте таблицу всех символьных имен, используемых в сети, и соответствующих им IP-адресов. Также просто «вручную» присвоить всем интерфейсам в небольшой сети уникальные адреса. Однако в крупных сетях эти же задачи усложняются настолько, что требуют принципиально других решений. Ключевым словом, которое характеризует подход к решению этих проблем, принятый в TCP/IP, является масштабируемость.
• Процедуры, предлагаемые TCP/IP для назначения, отображения и конфигурирования адресов, одинаково хорошо работают в сетях разного масштаба.

1. Типы адресов

Каждый компьютер в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней:

1) Локальный адрес узла, определяемый  технологией, с помощью которой  построена отдельная сеть, в которую  входит данный узел. Для узлов,  входящих в локальные сети - это  МАС-адрес сетевого адаптера или  порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями  оборудования и являются уникальными  адресами, так как управляются  централизовано. Для всех существующих  технологий локальных сетей МАС-адрес  имеет формат 6 байтов: 3 байта - идентификатор  фирмы производителя, а младшие  3 байта назначаются уникальным  образом самим производителем. Для  узлов, входящих в глобальные  сети, такие как Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.

2) IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется  на сетевом уровне. Он назначается  администратором во время конфигурирования  компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран  администратором произвольно, либо  назначен по рекомендации специального  подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами.

Номер узла в протоколе IP назначается  независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и  номера узла - гибкое, и граница между  этими полями может устанавливаться  весьма произвольно. Узел может входить  в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким  образом IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

3) Символьный идентификатор-имя,  например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается  администратором и состоит из  нескольких частей, например, имени  машины, имени организации, имени  домена. Такой адрес, называемый  также DNS-именем, используется на  прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

2. Классы IP-адресов

IP-адрес имеет длину 4 байта  и обычно записывается в виде  четырех чисел, представляющих  значения каждого байта в десятичной  форме, и разделенных точками,  например:

128.10.2.30 - традиционная десятичная  форма представления адреса,

10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма  представления этого же адреса.

Существует несколько классов IP-адресов: A, B, C, D и E.

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 битов адреса:

1) 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, о чем  будет сказано ниже.) В сетях  класса А количество узлов  должно быть больше 216 , но не превышать 224.

2) Если первые два бита адреса  равны 10, то сеть относится  к классу В и является сетью  средних размеров с числом  узлов 28 - 216. В сетях класса  В под адрес сети и под  адрес узла отводится по 16 битов,  то есть по 2 байта.

3) Если адрес начинается с  последовательности 110, то это сеть  класса С с числом узлов не больше 28. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.

4) 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.

5) Если адрес начинается с  последовательности 11110, то это адрес  класса Е, он зарезервирован  для будущих применений.

Соотношение между номером сети и номером узла в IP-адресе определяется с помощью маски подсети (Network mask), которая имеет длину также 4 байта и также записывается в десятичной форме по 4 октета, разделенных точками. Старшие биты маски подсети, состоящие из 1, определяют, какие разряды IP-адреса относятся к номеру сети. Младшие биты маски, состоящие из 0, определяют, какие разряды IP-адреса относятся к номеру узла. IP-адрес и маска подсети, минимальный набор параметров для конфигурирования протокола TCP/IP на сетевом узле.

Структура IP-адреса:

Пример структуры IP-адреса с маской подсети для сетей класса А:

Диапазоны номеров сетей, соответствующих  каждому классу сетей:

Класс	Наименьший адрес	Наибольший адрес
A	1.0.0.0	126.0.0.0
B	128.0.0.0	191.255.0.0
C	192.0.0.0	223.255.255.0
D	224.0.0.0	239.255.255.255
E	240.0.0.0	247.255.255.255

4. Соглашения о специальных  адресах

В протоколе IP существует несколько  соглашений об особой интерпретации IP-адресов:

1) если IР-адрес состоит только  из двоичных нулей,

0 0 0 0 ................................... 0 0 0 0

то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет;

2) если в поле номера сети  стоят 0,

0 0 0 0 .......0 Номер узла

то по умолчанию считается, что этот узел принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет;

3) если все двоичные разряды  IP-адреса равны 1,

1 1 1 1 .........................................1 1

то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast);

4) если в поле адреса назначения  стоят сплошные 1,

Номер сети 1111................11

то пакет, имеющий такой адрес рассылается всем узлам сети с заданным номером. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast);

5) адрес 127.0.0.1 зарезервирован для  организации обратной связи при  тестировании работы программного  обеспечения узла без реальной  отправки пакета по сети. Этот  адрес имеет название loopback.

Уже упоминавшаяся форма группового IP-адреса - multicast - означает, что данный пакет должен быть доставлен сразу нескольким узлам, которые образуют группу с номером, указанным в поле адреса. Узлы сами идентифицируют себя, то есть определяют, к какой из групп они относятся. Один и тот же узел может входить в несколько групп. Такие сообщения в отличие от широковещательных называются мультивещательными. Групповой адрес не делится на поля номера сети и узла и обрабатывается маршрутизатором особым образом.

В протоколе IP нет понятия широковещательности  в том смысле, в котором оно  используется в протоколах канального уровня локальных сетей, когда данные должны быть доставлены абсолютно всем узлам. Как ограниченный широковещательный IP-адрес, так и широковещательный IP-адрес имеют пределы распространения  в интерсети - они ограничены либо сетью, к которой принадлежит  узел - источник пакета, либо сетью, номер  которой указан в адресе назначения. Поэтому деление сети с помощью  маршрутизаторов на части локализует широковещательный шторм пределами  одной из составляющих общую сеть частей просто потому, что нет способа  адресовать пакет одновременно всем узлам всех сетей составной сети.

5. Отображение адресов

5.1 Отображение физических  адресов на IP-адреса: протоколы ARP и RARP

В протоколе IP-адрес узла, то есть адрес  компьютера или порта маршрутизатора, назначается произвольно администратором  сети и прямо не связан с его  локальным адресом, как это сделано, например, в протоколе IPX. Подход, используемый в IP, удобно использовать в крупных  сетях и по причине его независимости  от формата локального адреса, и  по причине стабильности, так как  в противном случае, при смене  на компьютере сетевого адаптера это  изменение должны бы были учитывать  все адресаты всемирной сети Internet (в том случае, конечно, если сеть подключена к Internet'у). Локальный адрес используется в протоколе IP только в пределах локальной сети при обмене данными между маршрутизатором и узлом этой сети. Маршрутизатор, получив пакет для узла одной из сетей, непосредственно подключенных к его портам, должен для передачи пакета сформировать кадр в соответствии с требованиями принятой в этой сети технологии и указать в нем локальный адрес узла, например его МАС-адрес. В пришедшем пакете этот адрес не указан, поэтому перед маршрутизатором встает задача поиска его по известному IP-адресу, который указан в пакете в качестве адреса назначения. С аналогичной задачей сталкивается и конечный узел, когда он хочет отправить пакет в удаленную сеть через маршрутизатор, подключенный к той же локальной сети, что и данный узел.

Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адреса Address Resolution Protocol, ARP. Протокол ARP работает различным образом в зависимости от того, какой протокол канального уровня работает в данной сети - протокол локальной сети (Ethernet, Token Ring, FDDI) с возможностью широковещательного доступа одновременно ко всем узлам сети, или же протокол глобальной сети (X.25, frame relay), как правило не поддерживающий широковещательный доступ. Существует также протокол, решающий обратную задачу - нахождение IP-адреса по известному локальному адресу. Он называется реверсивный ARP - RARP (Reverse Address Resolution Protocol) и используется при старте бездисковых станций, не знающих в начальный момент своего IP-адреса, но знающих адрес своего сетевого адаптера. В локальных сетях протокол ARP использует широковещательные кадры протокола канального уровня для поиска в сети узла с заданным IP-адресом.

Узел, которому нужно выполнить  отображение IP-адреса на локальный  адрес, формирует ARP запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, 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 IP-адрес  и свой локальный адрес и 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. Так как локальные  адреса могут в различных типах  сетей иметь различную длину, то формат пакета протокола ARP зависит  от типа сети. На рисунке 3.2 показан  формат пакета протокола ARP для передачи по сети Ethernet.

Формат пакета протокола ARP: 0 8 16 31 Т

Тип сети	Тип протокола
Длина локального адреса	Длина сетевого адреса	Операция
Локальный адрес отправителя (байты 0 - 3)
Локальный адрес отправителя (байты 4 - 5)	IP-адрес отправителя (байты  0-1)
IP-адрес отправителя (байты  2-3)	Искомый локальный адрес (байты 0 - 1)
Искомый локальный адрес (байты 2-5)
Искомый IP-адрес (байты 0 - 3)

В поле типа сети для сетей Ethernet указывается значение 1. Поле типа протокола позволяет использовать пакеты ARP не только для протокола IP, но и для других сетевых протоколов. Для IP значение этого поля равно 080016.

Длина локального адреса для протокола  Ethernet равна 6 байтам, а длина IP-адреса - 4 байтам. В поле операции для ARP запросов указывается значение 1 для протокола ARP и 2 для протокола RARP.