Теоретические сведения. Изучение адресации в сети Интернет

Изучение адресации в сети Интернет

Цель работы: научиться формировать подсети, определять классы сетей и составлять маски подсетей

Теоретические сведения

1. Адресация в сети Интернет

Каждый интерфейс в объединенной сети должен иметь уникальный IP-адрес. Эти адреса представляют из себя 32-битовые числа (здесь и в дальнейшем будем рассматривать четвертую версию IP-протокола, IPv4).

Эти 32-битные адреса обычно записываются как 4 десятичных числа, по одному на каждый байт адреса. Такая форма записи называется "десятичной записью с точками" (dotted-decimal). Например, адрес сети класса B может быть записан как 140.252.13.33.

Cуществует определенная структура IP-адреса (см. рис. 1). 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.

Рисунок 1. Структура IP адреса в разных классах сетей.

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.) 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 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.

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. 1 приведены диапазоны номеров сетей и максимальное число узлов, соответствующих каждому классу сетей

Таблица 1. Характеристики адресов разного класса

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

Отметим, что хосты с несколькими интерфейсами имеют несколько IP адресов: по одному на каждый интерфейс.

Так как каждый интерфейс, подключенный к сети, должен иметь уникальный адрес, встает вопрос распределения IP адресов в глобальной сети Интернет. Этим занимается сетевой информационный центр (Интернет Network Information Center или InterNIC). InterNIC назначает только сетевые идентификаторы (ID). Назначением идентификаторов хостов в сети занимаются системные администраторы.

Регистрация сервисов Интернет (IP адреса и имена доменов DNS) осуществляется в NIC, nic.ddn.mil. InterNIC была создана 1 апреля 1993 года. В настоящее время NIC регистрирует сервисы только для сети министерства обороны (DDN - Defence Data Network). Все другие пользователи Интернет в настоящее время используют регистрационный сервис InterNIC в rs.internic.net.

Реально существует три части InterNIC: регистрационный сервис (rs.internic.net), сервис баз данных (ds.internic.net) и информационный сервис (is.internic.net).

2. Особые IP-адреса

В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов (см. таблицу 2).

· 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 источник 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).

Таблица 2. Зарезервированные IP-адреса

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 (Интернет Group Management 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.

3. Адресация подсетей

В настоящее время существует требование, чтобы все хосты поддерживали адресацию подсетей (RFC 950). Теперь IP адрес не делится просто на идентификатор сети и идентификатор хоста: идентификатор хоста делится на идентификатор подсети и идентификатор хоста.

В сетях класса A и в сетях класса B адреса отводится слишком много бит на идентификатор хоста: 224 - 2 и 216 - 2 соответственно. Как правило, такое количество хостов не подключается к одной сети. (На рисунке 1 показан формат IP адресов сетей различных классов сетей.) В данном случае вычитается 2, потому что идентификатор хоста из всех нулевых битов или всех единичных битов не используется.

После получения от InterNIC идентификатора сети определенного класса, системный администратор решает, делить ли сеть на подсети или нет, а если делить, то сколько бит будет отведено на идентификатор подсети и сколько на идентификатор хоста. Например, сети, описываемые в этом тексте, имеют адреса класса В (140.252), а из оставшихся 16 бит 8 отводятся под идентификатор подсети, а 8 на идентификатор хоста. Это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Разделение на подсети адреса класса B.

Подобное разделение позволяет создать 254 подсети по 254 хоста в каждой.

Большинство администраторов использует 8 из 16-ти бит идентификатора хоста в сети класса В, для выделения подсетей. Это позволяет легко выделить идентификатор подсети из десятичного сетевого адреса, при этом для сетей класса А или класса В можно выделить различное количество битов для организации подсетей.

В большинстве примеров разделение на подсети осуществляется с адресами класса В. Поделить на подсети можно и адреса класса С, однако в этом случае на идентификатор подсети выделяется очень мало битов. Разделение на подсети очень редко применяется по отношению адресов класса А, потому что адресов класса А очень мало (однако, большинство адресов класса А поделено на подсети).

Разделение на подсети скрывает детали внутренней организации сети от внешних маршрутизаторов. В нашем примере, все IP адреса имеют идентификатор сети класса В - 140.252, однако в ней существует более чем 30 подсетей и более чем 400 хостов, распределенных по этим подсетям. Один маршрутизатор обеспечивает подключение к Интернет, как показано на рисунке 3.

На этом рисунке мы пометили большинство маршрутизаторов как Rn, где n это номер подсети. Мы показали маршрутизаторы, которые соединяют эти подсети вместе с девятью системами, которые показаны на рисунке, находящимся на внутренней стороне обложки. Сети Ethernet показаны жирными линиями, а каналы точка-точка показаны пунктиром. Мы показали не все хосты, находящиеся в различных подсетях. Например, более 50 хостов находятся в подсети 140.252.3 и более 100 в подсети 140.252.1.

Преимущество использования подсети заключается в том, что используется один адрес класса В с 30 подсетями, а не 30 адресов класса С. При этом разделение на подсети уменьшает размер таблиц маршрутизации Интернет. Факт того что адрес сети класса В 140.252 поделен на подсети говорит о том, что они прозрачны для всех маршрутизаторов Интернет, кроме тех, которые находятся в подсети 140.252.

Рисунок 3. Настройки большинства подсетей noao.edu 140.252.

Для того чтобы получить доступ к хосту, IP адрес которого начинается с 140.252, внешний маршрутизатор должен всего лишь знать путь к IP адресу 140.252.104.1. Это означает, что для доступа ко всем сетям 140.252 необходим только один пункт в таблице маршрутизации, вместо 30-ти пунктов в случае использования 30 адресов класса С. Таким образом, деление на подсети уменьшает размер таблиц маршрутизации.

Для того чтобы показать что подсети непрозрачны для маршрутизаторов внутри подсети, обратимся к рисунку 11 и представим, что датаграмма прибывает в gateway из Интернет с адресом назначения 140.252.57.1. Маршрутизатор gateway должен знать где находится подсеть 57 и что датаграммы для этой подсети надо посылать в kpno. В свою очередь, kpno должен посылать датаграммы в R55, который пошлет их в R57.

4. Маска подсети

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).

ПРИМЕЧАНИЕ Для записи масок используются и другие форматы, например, удобно интерпретировать значение маски, записанной в шестнадцатеричном коде: FF.FF.00.00 - 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.

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.

Маска это 32-битное значение, которое содержит биты, установленные в единицу для идентификатора сети и идентификатора подсети, и биты, установленные в 0 для идентификатора хоста. На рисунке 4 показано формирование маски подсети для двух различных разделений адреса класса В. В верхнем примере происходит разделение на хосте noao.edu, как показано на рисунке 3, где идентификатор подсети и идентификатор хоста занимают 8 бит. В нижнем примере показано разделение адреса класса В, при этом идентификатор подсети занимает 10 бит, а идентификатор хоста - 6 бит.

Рисунок 4. Пример масок подсетей для двух различных подсетей класса B.

Несмотря на то, что IP адреса обычно пишутся в десятичном виде с точками, маски подсети, как правило, пишутся в шестнадцатиричном виде, особенно если разделение происходит не побайтно, а побитно.

После того как хост получил свой IP адрес и маску подсети, он может определить, предназначена ли IP датаграмма для (1) хоста в его собственной подсети, (2) хосту в другой подсети его собственной сети, или (3) хосту в другой сети. Зная собственный IP адрес, можно определить, к какому классу он относится: А, В или С (по старшим битам), также можно определить, где проведена граница между идентификатором сети и идентификатором подсети. По маске подсети можно определить где проведена граница между идентификатором подсети и идентификатором хоста.

Пример

Представьте себе адрес хоста 140.252.1.1 (адрес класса В), и маску подсети - 255.255.255.0 (8 бит на идентификатор подсети и 8 бит на идентификатор хоста).

Если IP адрес назначения 140.252.4.5, мы знаем, что идентификатор сети класса В тот же самый (140.252), однако идентификатор подсети другой (1 и 4). На рисунке 5 показано, как происходит сравнение двух IP адресов с использованием маски подсети.

Если IP адрес назначения 140.252.1.22, то идентификатор сети класса В тот же самый (140.252), и идентификатор подсети также тот же самый (1). Однако идентификатор хоста другой.

Если IP адрес назначения 192.43.235.6 (адрес класса С), идентификатор сети другой. С этим адресом не может быть произведено дальнейшее сравнение.

Рисунок 5. Сравнение двух подсетей класса В, использующих маски подсети.

В процессе IP маршрутизации, сравнения, подобные этому, делаются все время с использованием двух IP адресов и маски подсети.

Специальные IP адреса

В процессе описания подсетей может встретится семь специальных IP адресов (см. таблицу 3). Здесь 0 означает поле, состоящее из всех бит, установленных в ноль, -1 означает поле из бит, установленных в единицы, а netid (идентификатор сети), subnetid (идентификатор подсети) и hostid (идентификатор хоста) обозначает соответствующие поля, которые установлены не в единицы и не в нули. Пустая колонка идентификатора подсети означает, что адреса не могут быть разбиты на подсети.

Таблица 3. Специальные IP адреса.

Первые две записи содержат специальные адреса источников, затем адрес интерфейса loopback, и последние четыре записи - это широковещательные адреса.

Первые два пункта в таблице с идентификатором сети, равным 0, могут существовать только как адрес источника во время процедуры инициализации, когда хост определяет свой собственный IP адрес, например, с использованием протокола BOOTP.

Пример подсети

Рисунок 6. Настройки хостов и сетей в описываемой подсети.

Проблема заключается в том, что имеем две раздельные сети внутри подсети 13: Ethernet и канал точка-точка (выделенный канал SLIP). (Каналы точка-точка всегда привносят некоторые проблемы, так как каждый конец требует собственный IP адрес.) В будущем здесь может появиться больше хостов и сетей, однако недостаточно для того, чтобы выделять другой номер подсети. Мы принимаем решение расширить идентификатор подсети с 8 до 11 бит, и уменьшить идентификатор хоста с 8 до 5 бит. Это называется подсетями с переменной длиной, так как большинство сетей внутри сети 140.252 используют маску подсети длиной 8 бит, тогда как наша сеть использует маску подсети длиной 11 бит.

На рисунке 7 показана структура IP адреса, используемая в подсети. Первые 8 бит в 11-битном идентификаторе подсети всегда равны 13 в данной подсети. Для оставшихся трех бит идентификатора подсети мы используем двоичное 001 для Ethernet и 010 для SLIP канала точка-точка.

Рисунок 7. Использование подсетей переменной длины.

Маска подсети с переменной длиной не создаст проблем для других хостов и маршрутизаторов в сети 140.252, так как все датаграммы, направляемые в подсеть 140.252.13, приходят на маршрутизатор sun (IP адрес 140.252.1.29. рисунок 15) и если sun знает об 11-битном идентификаторе подсети для хостов в подсети 13, все будет нормально.

Маска подсети для всех интерфейсов в подсети 140.252.13 установлена в 255.255.255.224 или 0xffffffe0. Это означает, что крайние правые 5 битов отводятся на идентификатор хоста, а 27 бит слева оставлены на идентификатор сети и идентификатор подсети.

В таблице 4 показано распределение IP адресов и масок подсетей для интерфейсов, приведенных на рисунке 6.

Таблица 4. IP адреса описываемой подсети.

Первая колонка помечена как "хост" ("Host"), однако и sun и bsdi также функционируют как маршрутизаторы, так как они имеют несколько интерфейсов и перенаправляют пакеты с одного интерфейса на другой.

В последней строке таблицы показано, что широковещательный адрес сети Ethernet на рисунке 3.10 установлен 140.252.13.63: он формируется из идентификатора подсети Ethernet (140.252.13.32) и младших 5 бит на рисунке 7, установленных в единицу (16+8+4+2+1=31).

Пример расчета маски подсети:

Дано: IP сети 130.0.0.0 В сети может находится 100 подсетей и 511 хостов.

Определить тип сети, рассчитать маску подсети и определить IP следующих компьютеров :

1 подсеть 1 компьютер..

26 подсеть 140 компьютер.

65 подсеть 500 компьютер.

Решение:

1. Данная сеть относится к типу В, т.к. в двоичном представлении адресация сети имеет представление 10000010.Так как у нас сеть типа В то на адресацию подсети и хоста у нас выделяется только последние 2 байта адреса(т.к. первые два байта идут на адресацию сети).

2. Представим количество подсетей и количество хостов в двоичном виде:

100 подсетей имеет вид: 1100100

511 компьютеров имеет вид : 111111111

Т.к. на адресацию подсетей и компьютеров необходимо в сумме 16 битов, т.е. 2 байта, то свободных битов нету, и мы можем определять сразу маску подсети.

В маске подсети биты которые отдаются на адресацию подсети и сети устанавливаются в 1, на определение хоста – устанавливается в 0. Следовательно в нашем случае маска будет иметь следующий вид:

11111111.11111111.11111110.00000000 или 255.255.254.0

3. Определим IP компьютеров в данных. Подробно рассмотрим определение IP 1 компьютера и 1 подсети. Рассмотрим двоичное представление IP сети:

10000010.00000000.00000000.00000000. С учетом маски подсети получаем, что на адресацию подсети у нас уходят биты, выделенные жирным шрифтом, на адресацию хоста – курсивом. Следовательно чтобы адресовать 1 подсеть и первый компьютер необходимо установить первые соответствующие биты в 1. В итоге получаем следующую двоичную запись: 10000010.00000000.00000010.00000001 или в десятичном представлении 130.0.2.1 . Для установки других номеров подсетей и хостов необходимо номер перевести в двоичное представление и установить соответствующие биты в 1. В результате по заданию получаем следующие IP : 11001011.11110100

1 подсеть 1 компьютер. 130.0.2.1

26 подсеть 140 компьютер. 130.0.52.140

65 подсеть 500 компьютер. 130.0.203.244

Поиск по сайту: