Адресация в IP-сетях

5.2.1. Типы адресов стека TCP/IP

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

В терминологии TCP/IP под локальным адресом понимается такой тип адреса, который используется средствами базовой технологии для доставки данных в пределах подсети, являющейся элементом составной интерсети. В разных подсе­тях допустимы разные сетевые технологии, разные стеки протоколов, поэтому при создании стека TCP/IP предполагалось наличие разных типов локальных адресов. Если подсетью интерсети является локальная сеть, то локальный ад­рес — это МАС-адрес. 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. Однако протокол IP может работать и над прото­колами более высокого уровня, например над протоколом IPX или Х.25. В этом случае локальными адресами для протокола IP соответственно будут адреса IPX и Х.25. Следует учесть, что компьютер в локальной сети может иметь несколько локальных адресов даже при одном сетевом адаптере. Некоторые сетевые устрой­ства не имеют локальных адресов. Например, к таким устройствам относятся глобальные порты маршрутизаторов, предназначенные для соединений типа «точ­ка-точка».

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 конфигу^: рирования 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 (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.

368 Глава 5 • Сетевой уровень как средство построения больших сетей

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 DNS-именами.

5.2.2. 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, а 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 бит адреса. Значения этих бит являются также признаками того, к какому классу относится тот или иной IP-адрес.

На рис. 5.9 показана структура IP-адреса разных классов.

5.2. Адресация в IP-сетях 369

имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) Сетей класса А немного, зато количество узлов в них может достигать 2²⁴, то есть 16 777 216 узлов.

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.

Если адрес начинается с последовательности ПО, 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.

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 значит, что данный адрес относится к классу Е. Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений.

В табл. 5.4 приведены диапазоны номеров сетей и максимальное число узлов, соответствующих каждому классу сетей.

Большие сети получают адреса класса А, средние — класса В, а маленькие — класса С.

5.2.3. Особые IP-адреса

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

• Если весь IP-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет; этот режим используется только в некоторых сообщениях ICMP.

• Если в поле номера сети стоят только нули, то по умолчанию считается, что узел назначения принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет.

• Если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назна­чения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источ-

370 Глава 5 * Сетевой уровень как средство построения больших сетей____________________________

ник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещатель­ным сообщением (limited broadcast).

• Если в поле номера узла назначения стоят только единицы, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Например, пакет с адресом 192.190.21.255 доставляется всем узлам сети 192.190.21.0. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast). При адресации необходимо учитывать те ограничения, которые вносятся осо­бым назначением некоторых IP-адресов. Так, ни номер сети, ни номер узла не может состоять только из одних двоичных единиц или только из одних двоичных нулей. Отсюда следует, что максимальное количество узлов, приведенное в табли­це для сетей каждого класса, на практике должно быть уменьшено на 2. Например, в сетях класса С под номер узла отводится 8 бит, которые позволяют задавать 256 номеров: от 0 до 255. Однако на практике максимальное число узлов в сети класса С не может превышать 254, так как адреса 0 и 255 имеют специальное назначение. Из этих же соображений следует, что конечный узел не может иметь адрес типа 98.255.255.255, поскольку номер узла в этом адресе класса А состоит из одних дво­ичных единиц.

Особый смысл имеет IP-адрес, первый октет которого равен 127. Он использу­ется для тестирования программ и взаимодействия процессов в пределах одной машины. Когда программа посылает данные по IP-адресу 127.0.0.1, то образуется как бы «петля». Данные не передаются по сети, а возвращаются модулям верхнего уровня как только что принятые. Поэтому в IP-сети запрещается присваивать ма­шинам IP-адреса, начинающиеся со 127. Этот адрес имеет название loopback. Мож­но отнести адрес 127.0.0.0 ко внутренней сети модуля маршрутизации узла, а адрес 127.0.0.1 — к адресу этого модуля на внутренней сети. На самом деле любой адрес сети 127.0.0.0 служит для обозначения своего модуля маршрутизации, а не только 127.0.0.1, например 127.0.0.3.

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.

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. Члены какой-либо группы multicast не обязательно долж­ны принадлежать одной сети. В общем случае они могут распределяться по совершенно различным сетям, находящимся друг от друга на произвольном количестве хопов. Групповой адрес не делится на поля номера сети и узла и обрабатывается маршру­тизатором особым образом.

Основное назначение multicast-адресов — распространение информации по схеме «один-ко-многим». Хост, который хочет передавать одну и ту же информацию мно­гим абонентам, с помощью специального протокола IGMP (Internet Group Management

5.2. Адресация в IP-сетях 371

Protocol) сообщает о создании в сети новой мультивещательной группы с определен­ным адресом. Машрутизаторы, поддерживающие мультивещательность, распростра­няют информацию о создании новой группы в сетях, подключенных к портам этого маршрутизатора. Хосты, которые хотят присоединиться к вновь создаваемой мульти­вещательной группе, сообщают об этом своим локальным маршрутизаторам и те пере­дают эту информацию хосту, инициатору создания новой группы.

Чтобы маршрутизаторы могли автоматически распространять пакеты с адресом multicast по составной сети, необходимо использовать в конечных маршрутизаторах модифицированные протоколы обмена маршрутной информацией, такие как, на­пример, MOSPF (Multicast OSPF, аналог OSPF ).

Групповая адресация предназначена для экономичного распространения в Internet или большой корпоративной сети аудио- или видеопрограмм, предназначенных сра­зу большой аудитории слушателей или зрителей. Если такие средства найдут широ­кое применение (сейчас они представляют в основном небольшие экспериментальные островки в общем Internet), то Internet сможет создать серьезную конкуренцию ра­дио и телевидению.

5.2.4. Использование масок в IP-адресации

Традиционная схема деления IP-адреса на номер сети и номер узла основана на понятии класса, который определяется значениями нескольких первых бит адреса. Именно потому, что первый байт адреса 185.23.44.206 попадает в диапазон 128-191, мы можем сказать, что этот адрес относится к классу В, а значит, номером сети являются первые два байта, дополненные двумя нулевыми байтами — 185.23.0.0, а номером узла — 0.0.44.206.

А что если использовать какой-либо другой признак, с помощью которого мож­но было бы более гибко устанавливать границу между номером сети и номером узла? В качестве такого признака сейчас получили широкое распространение мас­ки. 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).

ПРИМЕЧАНИЕДля записи масок используются и другие форматы, например, удобно интерпретировать значение маски, записанной в шеанадцатеричном коде: FF.FF.OO.OO - маска для адресов класса В. Часто встречается и такое обозначение 185.23.44.206/16 - эта запись говорит о том, что маска для этого адреса содержит 16 единиц или что в указанном IP-адресе под номер сети отведено 16 двоичных разрядов.____________

Снабжая каждый IP-адрес маской, можно отказаться от понятий классов адре­сов и сделать более гибкой систему адресации. Например, если рассмотренный выше адрес 185.23.44.206 ассоциировать с маской 255.255.255.0, то номером сети будет 185.23.44.0, а не 185.23.0.0, как это определено системой классов.

Глава 5 • Сетевой уровень как средство построения больших сетей_____________________________

В масках количество единиц в последовательности, определяющей границу но­мера сети, не обязательно должно быть кратным 8, чтобы повторять деление адреса на байты. Пусть, например, для IP-адреса 129.64.134.5 указана маска 255.255.128.0, то есть в двоичном виде:

IP-адрес 129.64.134.5 - 10000001. 01000000.10000110. 00000101

Маска 255.255.128.0- 11111111.11111111.10000000.00000000

Если игнорировать маску, то в соответствии с системой классов адрес 129.64.134.5 относится к классу В, а значит, номером сети являются первые 2 байта — 129.64.0.0, а номером узла — 0.0.134.5.

Если же использовать для определения границы номера сети маску, то 17 по­следовательных единиц в маске, «наложенные» на IP-адрес, определяют в качестве номера сети в двоичном выражении число:

10000001. 01000000. 10000000. 00000000 или в десятичной форме записи — номер сети 129.64.128.0, а номер узла 0.0.6.5.

Механизм масок широко распространен в IP-маршрутизации, причем маски могут использоваться для самых разных целей. С их помощью администратор мо­жет структурировать свою сеть, не требуя от поставщика услуг дополнительных номеров сетей. На основе этого же механизма поставщики услуг могут объединять адресные пространства нескольких сетей путем введения так называемых «пре­фиксов» с целью уменьшения объема таблиц маршрутизации и повышения за счет этого производительности маршрутизаторов.

5.2.5. Порядок распределения IP-адресов

Номера сетей назначаются либо централизованно, если сеть является частью Internet, либо произвольно, если сеть работает автономно. Номера узлов и в том и в другом случае администратор волен назначать по своему усмотрению, не выходя, разуме­ется, из разрешенного для этого класса сети диапазона.

Координирующую роль в централизованном распределении IP-адресов до не­которого времени играла организация InterNIC, однако с ростом сети задача рас­пределения адресов стала слишком сложной, и InterNIC делегировала часть своих функций другим организациям и крупным поставщикам услуг Internet.

Уже сравнительно давно наблюдается дефицит IP-адресов. Очень трудно полу­чить адрес класса В и практически невозможно стать обладателем адреса класса А При этом надо отметить, что дефицит обусловлен не только ростом сетей, но и тем, что имеющееся множество IP-адресов используется нерационально. Очень часто владельцы сети класса С расходуют лишь небольшую часть из имеющихся у них 254 адресов. Рассмотрим пример, когда две сети необходимо соединить глобальной

5.2. Адресация в IP-сетях 373

связью. В таких случаях в качестве канала связи используют два маршрутизатора, соединенных по схеме «точка-точка» (рис. 5.10). Для вырожденной сети, образо­ванной каналом, связывающим порты двух смежных маршрутизаторов, приходит­ся выделять отдельный номер сети, хотя в этой сети имеются всего 2 узла.

Если же некоторая IP-сеть создана для работы в «автономном режиме», без связи с Internet, тогда администратор этой сети волен назначить ей произвольно выбранный номер. Но и в этой ситуации для того, чтобы избежать каких-либо коллизий, в стандартах Internet определено несколько диапазонов адресов, реко­мендуемых для локального использования. Эти адреса не обрабатываются маршрути­заторами Internet ни при каких условиях. Адреса, зарезервированные для локальных целей, выбраны из разных классов: в классе А — это сеть 10.0.0.0, в классе В — это диапазон из 16 номеров сетей 172.16.0.0-172.31.0.0, в классе С — это диапазон из 255 сетей - 192.168.0.0-192.168.255.0.

Для смягчения проблемы дефицита адресов разработчики стека TCP/IP пред­лагают разные подходы. Принципиальным решением является переход на новую версию IPv6, в которой резко расширяется адресное пространство за счет исполь­зования 16-байтных адресов. Однако и текущая версия IPv4 поддерживает некото­рые технологии, направленные на более экономное расходование IP-адресов. Одной из таких технологий является технология масок и ее развитие — технология бес­классовой междоменной маршрутизации (Classless Inter-Domain Routing, CIDR). Тех­нология CIDR отказывается от традиционной концепции разделения адресов протокола IP на классы, что позволяет получать в пользование столько адресов, сколько реально необходимо. Благодаря CIDR поставщик услуг получает возмож­ность «нарезать» блоки из выделенного ему адресного пространства в точном соот­ветствии с требованиями каждого клиента, при этом у него остается пространство для маневра на случай его будущего роста.

Другая технология, которая может быть использована для снятия дефицита адресов, это трансляция адресов (Network Address Translator, NAT). Узлам внутрен­ней сети адреса назначаются произвольно (естественно, в соответствии с общими правилами, определенными в стандарте), так, как будто эта сеть работает автоном­но. Внутренняя сеть соединяется с Internet через некоторое промежуточное устрой- . ство (маршрутизатор, межсетевой экран). Это промежуточное устройство получает в свое распоряжение некоторое количество внешних «нормальных» IP-адресов, согласованных с поставщиком услуг или другой организацией, распределяющей IP-адреса. Промежуточное устройство способно преобразовывать внутренние ад­реса во внешние, используя для этого некие таблицы соответствия. Для внешних пользователей все многочисленные узлы внутренней сети выступают под несколь­кими внешними IP-адресами. При получении внешнего запроса это устройство анализирует его содержимое и при необходимости пересылает его во внутреннюю сеть, заменяя IP-адрес на внутренний адрес этого узла. Процедура трансляции адресов определена в RFC 1631.

5.2.6. Автоматизация процесса назначения IP-адресов

Назначение IP-адресов узлам сети даже при не очень большом размере сети может представлять для администратора утомительную процедуру. Протокол Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) освобождает администратора от этих проблем, авто­матизируя процесс назначения IP-адресов.

374 Глава 5 • Сетевой уровень как средство построения больших сетей

dfСР может поддерживать способ автоматического динамического распреде-'ния дресов, а также более простые способы ручного и автоматического стати­ческого назначения адресов. Протокол DHCP работает в соответствии с моделью клиент-сервер. Во время старта системы компьютер, являющийся DHCP-клиентом, посылав™ в сеть широковещательный запрос на получение IP-адреса. DHCP-cep-вер откликается и посылает сообщение-ответ, содержащее IP-адрес. Предполагает­ся, что DHCP-клиент и DHCP-сервер находятся в одной IP-сети.

При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ограниченное время, называемое временем аренды (lease duration), что дает возмож-ность впоследствии повторно использовать этот IP-адрес для назначения другому компьютеру. Основное преимущество DHCP — автоматизация рутинной работы ад­министратора по конфигурированию стека TCP/IP на каждом компьютере. Иногда динамическое разделение адресов позволяет строить IP-сеть, количество узлов в ко­торой превышает количество имеющихся в распоряжении администратора IP-адресов.

В ручной процедуре назначения статических адресов активное участие прини­мает администратор, который предоставляет DHCP-серверу информацию о соот­ветствии IP-адресов физическим адресам или другим идентификаторам клиентов. DHCP-сервер, пользуясь этой информацией, всегда выдает определенному клиен­ту назначенный администратором адрес.

При автоматическом статическом способе DHCP-сервер присваивает IP-адрес из пула наличных IP-адресов без вмешательства оператора. Границы пула назнача­емых адресов задает администратор при конфигурировании DHCP-сервера. Адрес дается клиенту из пула в постоянное пользование, то есть с неограниченным сро­ком аренды. Между идентификатором клиента и его IP-адресом по-прежнему, как и при ручном назначении, существует постоянное соответствие. Оно устанавлива­ется в момент первого назначения DHCP-сервером IP-адреса клиенту. При всех последующих запросах сервер возвращает тот же самый IP-адрес.

DHCP обеспечивает надежный и простой способ конфигурации сети TCP/IP, гарантируя отсутствие дублирования адресов за счет централизованного управле­ния их распределением. Администратор управляет процессом назначения адресов с помощью параметра «продолжительность аренды», которая определяет, как дол­го компьютер может использовать назначенный IP-адрес, перед тем как снова за­просить его от DHCP-сервера в аренду.

Примером работы протокола DHCP может служить ситуация, когда компью­тер, являющийся DHCP-клиентом, удаляется из подсети. При этом назначенный ему IP-адрес автоматически освобождается. Когда компьютер подключается к дру­гой подсети, то ему автоматически назначается новый адрес. Ни пользователь, ни сетевой администратор не вмешиваются в этот процесс. Это свойство очень важно для мобильных пользователей.

DHCP-сервер может назначить клиенту не только IP-адрес клиента, но и дру­гие параметры стека TCP/IP, необходимые для его эффективной работы, напри­мер, маску, IP-адрес маршрутизатора по умолчанию, IP-адрес сервера DNS, доменное имя компьютера и т. п.

5.2.7. Отображение IP-адресов на локальные адреса

Одной из главных задач, которая ставилась при создании протокола IP, являлось обеспечение совместной согласованной работы в сети, состоящей из подсетей,

5.2. Адресация в IP-сетях 375

в общем случае использующих разные сетевые технологии. Непосредственно с ре­шением этой задачи связан уровень межсетевых интерфейсов стека TCP/IP. На этом уровне определяются уже рассмотренные выше спецификации упаковки (ин­капсуляции) IP-пакетов в кадры локальных технологий. Кроме этого, уровень меж­сетевых интерфейсов должен заниматься также крайне важной задачей отображения IP-адресов в локальные адреса.

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 (Х.25, frame relay), как правило не поддерживающий широкове­щательный доступ. Существует также протокол, решающий обратную задачу — нахождение IP-адреса по известному локальному адресу. Он называется реверсив­ным ARP (Reverse Address Resolution Protocol, RARP) и используется при старте бездисковых станций, не знающих в начальный момент своего IP-адреса, но знаю­щих адрес своего сетевого адаптера.

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 ARP-таблицы (табл. 5.5). 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.

Таблица 5.5. Пример ARP-таблицы