Сетевой уровень построения сетей. Адресация в IP-сетях. Протокол IP

РЕФЕРАТ

«СЕТЕВОЙ УРОВЕНЬ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ. АДРЕСАЦИЯ В IP-СЕТЯХ. ПРОТОКОЛ IP»

 

 

Основы межсетевого обмена в сетях TCP/IP

 

Сеть Internet - это сеть сетей, объединяющая как локальные сети, так и глобальные сети типа NSFNET. Поэтому центральным местом при обсуждении принципов построения сети является семейство протоколов межсетевого обмена TCP/IP.

Под термином "TCP/IP" обычно понимают все, что связано с протоколами TCP и IP. Это не только собственно сами проколы с указанными именами, но и протоколы построенные на использовании TCP и IP, и прикладные программы.

Главной задачей стека TCP/IP является объединение в сеть пакетных подсетей через шлюзы. Каждая сеть работает по своим собственным законам, однако предполагается, что шлюз может принять  пакет из другой сети и доставить  его по указанному адресу. Реально, пакет из одной сети передается в  другую подсеть через последовательность шлюзов (gateway), которые обеспечивают сквозную маршрутизацию пакетов по всей сети. В данном случае, под шлюзом понимается точка соединения сетей, или компьютер, соединяющие две сети и передающий пакеты из одной в другую. При этом соединяться могут как локальные, так и глобальные сети. В качестве шлюза могут выступать как специальные устройства, маршрутизаторы (router), так и компьютеры, которые имеют программное обеспечение, выполняющее функции маршрутизации пакетов. Маршрутизация - это процедура определения пути следования пакета из одной сети в другую.

Такой механизм доставки становится возможным благодаря реализации во всех узлах сети протокола межсетевого  обмена IP. Если обратиться к истории  создания сети Internet, то с самого начала предполагалось разработать спецификации сети коммутации пакетов. Это значит, что любое сообщение, которое отправляется по сети, должно быть при отправке "нашинковано" на фрагменты. Каждый из фрагментов должен быть снабжен адресами отправителя и получателя, а также номером этого пакета в последовательности пакетов, составляющих все сообщение в целом. Такая система позволяет на каждом шлюзе выбирать маршрут, основываясь на текущей информации о состоянии сети, что повышает надежность системы в целом. При этом каждый пакет может пройти от отправителя к получателю по своему собственному маршруту. Порядок получения пакетов получателем не имеет большого значения, т.к. каждый пакет несет в себе информацию о своем месте в сообщении. При создании этой системы принципиальным было обеспечение ее живучести и надежной доставки сообщений, т.к. предполагалось, что система должна была обеспечивать управление Вооруженными Силами США в случае нанесения ядерного удара по территории страны.

Структура стека протоколов TCP/IP

При рассмотрении процедур межсетевого  взаимодействия всегда опираются на стандарты, разработанные International Standard Organization (ISO). Эти стандарты получили название "Семиуровневой модели сетевого обмена" или в английском варианте "Open System Interconnection Reference Model" (OSI Ref.Model). В данной модели обмен информацией может быть представлен в виде стека:

7 Уровень приложений (программы пользователя, которые использует сеть, Application Layer)

6 Уровень обмена данными с прикладными программами (Presentation Layer)

5 Уровень сессии (управляет взаимодействием между приложениями, Session Layer)

4 Транспортный уровень (отвечает за контроль приёма и передачи сообщения, Transport Layer)

3 Сетевой уровень (отвечает за соединение между отправителем и получателем, Network Layer)

2 Канальный уровень (отвечает за надёжную передачу данных через физические линии связи, Data Link Layer)

1 Физический уровень (определяет физические параметры линии связи, Physical Layer)

Как видно из таблицы, в  этой модели определяется все –  от стандарта физического соединения сетей до протоколов обмена прикладного  программного обеспечения. Дадим некоторые  комментарии к этой модели.

Физический уровень данной модели определяет характеристики физической сети передачи данных, которая используется для межсетевого обмена. Это такие  параметры, как: напряжение в сети, сила тока, число контактов на разъемах и т.п. Типичными стандартами этого  уровня являются, например RS232C, V35, IEEE 802.3 и т.п.

К канальному уровню отнесены протоколы, определяющие соединение, например, SLIP (Strial Line Internet Protocol), PPP (Point to Point Protocol), NDIS, пакетный протокол, ODI и т.п. В данном случае речь идет о протоколе взаимодействия между драйверами устройств и устройствами, с одной стороны, а с другой стороны, между операционной системой и драйверами устройства. Такое определение основывается на том, что драйвер - это, фактически, конвертор данных из оного формата в другой, но при этом он может иметь и свой внутренний формат данных.

К сетевому (межсетевому) уровню относятся протоколы, которые отвечают за отправку и получение данных, или, другими словами, за соединение отправителя и получателя. Вообще говоря, эта терминология пошла от сетей коммутации каналов, когда  отправитель и получатель действительно  соединяются на время работы каналом  связи. Применительно к сетям TCP/IP, такая терминология не очень приемлема. К этому уровню в TCP/IP относят протокол IP (Internet Protocol). Именно здесь определяется отправитель и получатель, именно здесь находится необходимая информация для доставки пакета по сети.

Транспортный уровень  отвечает за надежность доставки данных, и здесь, проверяя контрольные суммы, принимается решение о сборке сообщения в одно целое. В Internet транспортный уровень представлен двумя протоколами TCP (Transport Control Protocol) и UDP (User Datagramm Protocol). Если предыдущий уровень (сетевой) определяет только правила доставки информации, то транспортный уровень отвечает за целостность доставляемых данных.

Уровень сессии определяет стандарты  взаимодействия между собой прикладного  программного обеспечения. Это может  быть некоторый промежуточный стандарт данных или правила обработки  информации. Условно к этому уровню можно отнеси механизм портов протоколов TCP и UDP и Berkeley Sockets. Однако обычно, рамках архитектуры TCP/IP такого подразделения не делают.

Уровень обмена данными с  прикладными программами (Presentation Layer) необходим для преобразования данных из промежуточного формата сессии в формат данных приложения. В Internet это преобразование возложено на прикладные программы.

Уровень прикладных программ или приложений определяет протоколы  обмена данными этих прикладных программ. В Internet к этому уровню могут быть отнесены такие протоколы, как: FTP, TELNET, HTTP, GOPHER и т.п.

Адресация в IP-сетях

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

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: старшие 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.

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.

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.

Три основных класса 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.

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:

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.

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.

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.

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.

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

В таблице приведены диапазоны  номеров сетей, соответствующих  каждому классу сетей.

Класс 

Наименьший адрес 

Наибольший адрес 

 

A 

01.0.0 

126.0.0.0

 

B 

128.0.0.0 

191.255.0.0

 

C 

192.0.1.0. 

223.255.255.0

 

D 

224.0.0.0 

239.255.255.255

 

E 

240.0.0.0 

247.255.255.255

 

Соглашения о специальных  адресах: broadcast, multicast, loopback

 

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

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;

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;

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);

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);

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.

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).