Какая часть бит в 48 битовом адресе ethernet идентифицирует группу

Обновлено: 07.07.2024

Интерфейс ЭВМ Ethernetа поддерживает механизм адресации , который позволяет передавать на компьютер только нужные пакеты. Напомним, что каждый интерфейс получает копию каждого пакета - даже если они адресованы другим машинам. Это оборудование фильтрует пакеты, игнорируя те, которые адресованы другим машинам, и передает в компьютер те, которые адресованы ему. Механизм адресации и фильтрации требуется, чтобы предохранить компьютер от перегрузки приходящими данными.

Обычно Ethernet-овский адрес фиксируется в оборудовании интерфейса компьютера. Так как адреса Ethernetа принадлежат аппаратным устройствам, то они иногда называются аппаратными адресами или физическими адресами. Отметим следующее важное свойство физических адресов Ethernetа:

Физические адреса связаны с интерфейса Ethernetа; установка интерфейса на новую машину или замена неисправного интерфейса изменяет его физический адрес.

физический адрес одного сетевого интерфейса;

широковещательный сетевой адрес;

Для согласования с широковещательной и групповой адресацией интерфейс Ethernetа должен распознавать не только свой физический адрес. Интерфейс обычно принимает по крайней мере два вида передач: адресованные физическому адресу интерфейса и адресованные широковещательному адресу. Некоторые интерфейсы могут быть запрограммированы на распознавание групповых адресов или даже альтернативных физических адресов. Когда операционная система начинает работать, она инициализирует интерфейс Ethernetа, задавая ему набор адресов, который он должен распознавать. В дальнейшем интерфейс сканирует каждую передачу, передавая на компьютер только передачи, предназначенные одному из указанных адресов.

Формат кадра Ethernet'а

Ethernet можно представлять как соединение канального уровня между машинами. Поэтому имеет смысл рассматривать передаваемые данные как кадры(фреймы)(Термин фрейм (граница) ведет свое происхождение от передачи по последовательным линиям, в которых отправитель определял границы данных, добавляя специальные символы перед и после передаваемых данных). Кадры Ethernetа имеют переменную длину в пределах от 64 октетов(октетом называется блок из 8 бит, чаще называемый байтом) до 1518 октетов (заголовок, данные, ЦКС). Как и во всех сетях с коммутацией пакетов, кадр должен идентифицироваться свое назначение. Рисунок 2.5показывает формат кадра Ethernetа, который содержит физический адрес отправителя, а также физический адрес получателя.

Помимо идентификации отправителя и получателя, каждый кадр, передаваемый по Ethernetу, содержит преамбулу, поле типа, поле данных и циклическую контрольную сумму(CRC) или ЦКС. Преамбула состоит из 64 битовой последовательности 1 и 0 и служит для облегчения синхронизации при приеме. 32-битовая ЦКС помогает интерфейсу обнаружить ошибки передачи: отправитель вычисляет ЦКС как функцию от данных, передаваемых в кадре, а получатель заново вычисляет ЦКС для того, чтобы быть уверенным в том, что пакет принят без ошибок.

Поле типа кадра содержит 16-битовое целое число, которое идентифицирует тип данных, передаваемых в кадре. С точки зрения Интернета поле типа кадра очень важно, так как это означает, что кадры Ethernetа являются самоидентифицирующимися. Когда кадр приходит на данную машину, операционная система использует тип кадра, чтобы определить, какой программный модуль обработки протоколов должен обработать это кадр. Главные преимущества самоидентифицирующихся кадров заключаются в том, что они позволяют одновременно использовать несколько протоколов на одной машине и в том, что они позволяют нескольким протоколам смешиваться при работе в одной физической сети. Например, кто-то может иметь прикладную программу, использующую Интернетовские протоколы, а кто-то использовать локальный экспериментальный протокол. Операционная система будет определять, кому послать приходящие пакеты, основываясь на значении поля типа кадра. Мы увидим, что протоколы TCP/IP используют самоидентифицирующиеся кадры Ethernetа для выделения себя среди других протоколов.

адрес адрес тип

преамбула получателя отправителя кадра данные ЦКС

Рисунок 2.5 Формат кадра(пакета) в том виде, в котором он передается по Ethernetу. Размеры полей не соотносятся друг с другом.

Одной из причин появления новой версии протокола называется ограниченность множества адресов. В действительности 2 32 > 4 миллиардов, не так уж много, если принимать во внимание, что уже сегодня в Интернет около 1 миллиарда сетевых объектов. Если учитывать широко используемую технику классов IP-адресов, то свободного адресного пространства уже почти не осталось. Можно задаться вопросом, почему 32 разряда адреса заменили в новом стандарте на 128?

В действительности, для того, чтобы обеспечить все человечество Земли (да и всех прочих живых существ на планете), хватило бы с большим запасом 64-битного адреса. Кто-то посчитал, что 2 128 больше числа молекул в нашей галактике. Есть повод подумать, что это слишком большое число. На самом деле принятое решение вполне обосновано.

При глобальном внедрении адресации IPv6 можно ожидать существенного снижения стоимости маршрутизаторов и сокращения значений RTT.

Теперь посмотрим, чем отличается IPv6 от IPv4, не считая длины адресов.

Для расширения возможности мультикастинг-маршрутизации в адресное поле введено субполе "scope" (группа адресов). Определен новый тип адреса " anycast address " (эникастный), который применяется для посылки запросов клиента любой группе серверов. Эникаст адресация предназначена для использования с набором взаимодействующих серверов, чьи адреса не известны клиенту заранее.
Введена возможность помечать пакеты, принадлежащие определенным транспортным потокам, для которых отправитель запросил определенную процедуру обработки, например, нестандартный тип TOS (вид услуг) или обработку данных в реальном масштабе времени.
В IPv6 введена идентификация сетевых объектов или субъектов — для обеспечения целостности данных и, при желании, защиты частной информации.
Функция протокола IGMP (управление группами) передана протоколу ICMPv6.

Важным преимуществом IPv6 является идея "следующего заголовка". Так как в IPv4 в IP-дейтаграмму можно вложить UDP, TCP или ICMP, возникает проблема идентификации и обработки заголовков, вложенных, например, в сегмент TCP.

Формат и семантика адресов IPv6 описаны в документе RFC-1884. Версия ICMP IPv6 рассмотрена в RFC-1885.

В документе RFC-2460, который появился спустя три года после RFC-1883, поле приоритет заменено на поле класс трафика . Это поле имеет 8 бит (против 4 в поле приоритет). При этом размер поля метка потока сократился до 20 бит. Это было продиктовано требованиями документа RFC-2474 "Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers", ориентированного на решение задач управления QoS.

В протоколе IPv6 существует три типа адресов (таблица 1.3.1.):

В IPv6 не существует широковещательных адресов, их функции переданы мультикастинг-адресам.

Существует три стандартные формы для представления IPv6 адресов в виде текстовых строк.

Основная форма имеет вид x:x:x:x:x:x:x:x , где 'x' шестнадцатеричные 16-битовые числа. Примеры:

Заметьте, что не нужно писать начальные нули в каждом из конкретных полей, но в каждом поле должна быть, по крайней мере, одна цифра (за исключением случая, описанного в пункте 2.).

может быть представлено в виде (таблица 1.3.3.).

или в сжатом виде:

Специфический тип IPv6 адресов идентифицируется лидирующими битами адреса. Поле переменной длины, содержащее эти лидирующие биты, называется префиксом формата (Format Prefix — FP). Исходное назначение этих префиксов представлено в табл. 1.4.

Замечание: Не специфицированные адреса, адреса обратной связи и IPv6 адреса со встроенными IPv4 адресами определены вне "0000 0000" префиксного пространства.

Данное распределение адресов поддерживает прямое выделение адресов провайдера, адресов локального применения и мультикастинг-адресов. Зарезервировано место для адресов NSAP , IPX и географических адресов. Оставшаяся часть адресного пространства зарезервирована для будущего использования. Эти адреса могут использоваться для расширения имеющихся возможностей (например, дополнительных адресов провайдеров и т.д.) или новых приложений (например, отдельные локаторы и идентификаторы).

Уникастные адреса отличаются от мультикастных значением старшего октета: значение FF (11111111) идентифицирует мультикастинг-адрес; любые другие значения говорят о том, что адрес уникастный. Эникастные ( anycast ) адреса берутся из уникастного адресного пространства и синтаксически неотличимы от них.

1.2.1. Уникастные адреса

IPv6 уникастные адреса сходны с традиционными IPv4 адресами при бесклассовой междоменной маршрутизации (Classless InterDomain Routing — CIDR ).

Существует несколько форм присвоения уникастных адресов в IPv6, включая глобальный уникастный адрес провайдера (global provider based unicast address ), географический уникастный адрес, NSAP адрес, IPX иерархический адрес, Sitelocaluse адрес, Linklocaluse адрес и совместимый с IPv4-адрес ЭВМ. В будущем могут быть определены дополнительные типы адресов.

Узлы IPv6 могут иметь существенную или малую информацию о внутренней структуре IPv6 адресов, в зависимости от выполняемой узлом роли, (например, ЭВМ или маршрутизатор). Как минимум, узел может считать, что уникастный адрес (включая его собственный адрес) не имеет никакой внутренней структуры, то есть представляет собой 128 битовый неструктурированный образ.

ЭВМ может дополнительно знать о префиксе субсети для каналов, c которыми она соединена, где различные адреса могут иметь разные значения n:

Машины могут использовать и другие иерархические границы в уникастном адресе. Хотя простейшие маршрутизаторы могут не знать о внутренней структуре IPv6 уникастных адресов, маршрутизаторы должны знать об одной или более иерархических границах для обеспечения работы протоколов маршрутизации. Известные границы для разных маршрутизаторов могут отличаться и зависят от того, какое положение занимает данный прибор в иерархии маршрутизации.

Примером уникастного адресного формата, который является стандартным для локальных сетей и других случаев, где применимы MAC адреса, может служить:

Другой формат уникастного адреса относится к случаю, когда локальная сеть или организация нуждаются в дополнительных уровнях иерархии. В этом примере идентификатор субсети делится на идентификатор области и идентификатор субсети. Формат такого адреса имеет вид (рис. 1.13):

Адрес 0:0:0:0:0:0:0:0 называется не специфицированным адресом. Он не должен присваиваться какому-либо узлу, поскольку лишь указывает на отсутствие адреса. Примером использования такого адреса может служить поле адреса отправителя любой IPv6 дейтаграммы, посланной инициализируемой ЭВМ до того, как она узнала свой адрес.

Не специфицированный адрес не должен использоваться в качестве указателя места назначения IPv6 дейтаграмм или в IPv6 заголовках маршрутизации.

Уникастный адрес 0:0:0:0:0:0:0:1 называется адресом обратной связи. Он может использоваться компьютером для посылки IPv6 дейтаграмм самому себе. Этот адрес нельзя использовать в качестве идентификатора интерфейса.

Адрес обратной связи не должен применяться в качестве адреса отправителя в IPv6 дейтаграммах, которые посылаются за пределы узла.

В Интернет не существует иерархии сетей. Локальная сеть на основе Ethernet, две ЭВМ, связанные через последовательный интерфейс, или общенациональная сеть страны - это все сети и по логике Интернет они все равны. Каждая сеть имеет свое имя и как минимум один IP-адрес. Имя привычнее для людей, адреса - для машин. Между именами и адресами существует строгое соответствие.

Для того чтобы пояснить взаимодействие различных систем в сети, рассмотрим сильно упрощенную схему обработки команды telnet vxdesy.desy.de, которая предполагает осуществление удаленного доступа к vx-кластеру в ДЕЗИ, Гамбург (вызов через windows обрабатывается практически аналогично). Сначала ЭВМ выделяет команду telnet и запускает соответствующую программу. Эта программа рассматривает символьный адрес vxdesy.desy.de в качестве параметра команды telnet.

Рис. 4.1.1.3.1. Схема обработки сетевого запроса

Сначала определим, что же нужно сделать для решения стоящей задачи? Чтобы обратиться к нужной ЭВМ, система должна знать ее IP-адрес, маску субсети и адрес маршрутизатора или ЭВМ, через которые можно обратиться с запросом на установление канала связи. Рассмотрим решение проблемы поэтапно. Сначала символьный адрес vxdesy.desy.de пересылается серверу имен (DNS-система может располагаться как в ЭВМ пользователя, так и в другой машине), где преобразуется в цифровой IP-адрес, пересылаемый в отклике на DNS-запрос (предварительно надо узнать его MAC-адрес). Но знания IP-адреса недостаточно, надо выяснить, где находится объект с этим адресом. На IP-адрес накладывается сетевая маска (задается при конфигурации рабочей станции), чтобы определить, не является ли данный адрес локальным. Если адрес локален, IP-адрес должен быть преобразован в Ethernet-адрес (MAC), ведь ваша ЭВМ может оперировать только с Ethernet-адресами. Для решения этой задачи посылается широковещательный (обращенный ко всем участникам локальной сети) ARP-запрос. Если адресат находится в пределах локальной субсети, то он откликнется, прислав Ethernet-адрес своей сетевой карты. Если это не так, что имеет место в приведенном примере, присылается Ethernet-адрес пограничного для данной сети маршрутизатора. Это происходит лишь в случае, если он поддерживает режим proxy-ARP. В противном случае рабочая станция должна воспользоваться IP-адресом маршрутизатора (gateway), заданным при ее конфигурации, и выявить его MAC-адрес с помощью ARP-запроса. Наконец с использованием полученного IP-адреса программа telnet формирует IP-пакет, который вкладывается в Ethernet-кадр и посылается в маршрутизатор узла (ведь именно его адрес она получила в ответ на ARP-запрос в данном примере). Последний анализирует имеющиеся у него маршрутные таблицы и выбирает, по какому из нескольких возможных путей послать указанный пакет. Если адресат внешний, IP-дейтограмма вкладывается в PPP- FDDI- или какой-то другой кадр (зависит от протокола внешнего канала) и отправляется по каналам Интернет. В реальной жизни все бывает сложней. Во-первых, присланный символьный адрес может быть неизвестен локальной dns-системе (серверу имен) и она вынуждена посылать запросы вышестоящим DNS-серверам, во-вторых, пограничный маршрутизатор вашей автономной системы может быть непосредственно не доступен (ваша ЭВМ находится, например, в удаленной субсети) и т.д. и т.п. Как система выпутывается из подобных осложнений, будет описано позднее. Следует иметь в виду, что, например, в системе unix все виды Интернет услуг обслуживает демон inetd. Конкретный запрос (Telnet, FTP, Finger и т.д.) поступает именно к нему, inetd резервирует номер порта и запускает соответствующий процесс, после чего переходит в режим ожидания новых запросов. Такая схема позволяет эффективно и экономно работать со стандартными номерами портов (см. раздел 7). Ну а теперь начнем с фундаментальных положений Интернет.

В Интернет информация и команды передаются в виде пакетов, содержащих как исходящий адрес, так и адрес места назначения (IP-адрес имеет 32 двоичных разряда). Каждой ЭВМ в сети поставлен в соответствие уникальный адрес, появление двух объектов с идентичными IP-адресами может дезорганизовать сеть. IP-адресация поддерживает пять различных классов сетей (практически используется только три) и, соответственно, адресов (версия IPv4). Класс А предназначен в основном для небольшого числа очень больших сетей. Здесь для кода сети выделено только 7 бит, это означает, что таких сетей в мире не может быть больше 127 (2 7 -1). Класс B выделяет 14 бит для кода сети, а класс С - 21 бит. В классе C для кода ЭВМ (host) предназначено 8 бит, поэтому число ЭВМ в сети ограничено. Самые левые биты адреса предназначены для кода класса. ip-адрес характеризует точку подключения машины к сети. Поэтому, если ЭВМ перенесена в другую сеть, ее адрес должен быть изменен. Старшие биты адреса определяют номер подсети, остальные биты задают номер узла (номер ЭВМ). В таблице 4.1.1.3.1 приведено соответствие классов адресов значениям первого октета адреса и указано количество возможных IP-адресов каждого класса.

Структура ip-адресов изображена на рисунке 4.1.1.3.2:

Рис. 4.1.1.3.2. Структура IP-адресов (NetID = идентификатор сети)

Для удобства чтения IP-адреса обычно записываются в десятично-точечной нотации, например: 192.148.166.129 (адрес класса C).

Классу A соответствует диапазон адресов 1.0.0.0 - 127.255.255.255.
Классу B соответствует диапазон адресов 128.0.0.0 - 191.255.255.255.
Классу С соответствует диапазон адресов 192.0.0.0 - 223.255.255.255.
Классу D соответствует диапазон адресов 224.0.0.0 - 239.255.255.255.
Классу E соответствует диапазон адресов 240.0.0.0 - 247.255.255.255.

Ряд адресов является выделенными для специальных целей:

0.0.0.0 - обращение к ЭВМ, на которой производится работа;
255.255.255.255 - обращение ко всем машинам локальной сети.
127.xxx.xxx.xxx - помещение пакета во входной поток данной ЭВМ (loopback).
Два другие специальные адреса показаны на рис. 4.1.1.3.2.а.

Рис. 4.1.1.3.2.а. Специальные ip-адреса

IP-адрес имеет Интернет- и местную секции, первая характеризует место (организацию, сеть или даже группу сетей), вторая - конкретную ЭВМ. Местная секция адреса может быть разделена на части, характеризующие локальную сеть и конкретную ЭВМ (рис. 4.1.1.3.3).

Рис. 4.1.1.3.3. Локальная часть IP-адреса

Такая схема обеспечивает необходимую гибкость, дает возможность разделить локальную сеть на субсети. При работе с субсетью необходимо использовать 32-разрядную маску. Разряды маски должны равняться 1, если сеть рассматривает данный бит как часть адреса сети, и 0, если он характеризует адрес ЭВМ в этой сети. Например:

255.255.255.254 (десятично-точечное представление)

11111111 11111111 11111111 11111110 (двоичное представление)

описывает маску субсети, в которой работает автор. Некоторую информацию о масках в работающей сети можно получить с помощью команды ifconfig (SUN):

/usr/etc/ifconfig -a (курсивом здесь и далее выделяются команды, введенные с клавиатуры)

inet 193.124.224.35 netmask ffffffe0 broadcast 193.124.224.32

inet 127.0.0.1 netmask ffffff00,

где le0 и lo0 - имена интерфейсов, флаг -a предполагает выдачу данных обо всех интерфейсах.

Во всех схемах IP-адресации адрес со всеми единицами в секции адрес ЭВМ (host) означает широковещательное обращение ко всем ЭВМ сети. Следует помнить, что широковещательные запросы сильно перегружают сеть, и без особой необходимости их использовать не следует. В настоящее время обсуждаются четыре предложения усовершенствования IP-адресации (см. RFC-1454):

При формировании пакетов различного уровня используется принцип инкапсуляции (вложения). Так IP-пакеты вкладываются в Ethernet-пакеты (кадры). Всякий пакет имеет заголовок и тело, некоторые из них снабжены контрольной суммой. Схема такого вложения представлена на рисунках 4.1.1.3.4 и 4.1.1.3.5.

Поле тип определяет используемый в дейтограмме протокол, PAD - пустые биты, дополняющие размер дейтограммы до 48 бит. В случае протокола IEEE 802.3 полю тип (>150010) соответствует поле длина (<150010), которое определяет длину кадра.

Пакетный принцип позволяет передавать информацию от разных источников к различным адресатам по общему телекоммуникационному каналу. Схема вложения пакетов в рамках TCP/IP показана на рис. 4.1.1.3.4.

Принцип вложения (также как и фрагментации) является фундаментальным для любых современных сетей. Этот принцип используется в сетях netware, Apple Talk, TCP/IP т.д.

Рис. 4.1.1.3.4. cхема вложения пакетов в TCP/IP (в данном примере в поле тип Ethernet кадра будет записан код 0800)

Отдельные сети в Интернет соединяются друг с другом через узловые серверы (gateway, их иногда называют пограничными маршрутизаторами - boarder gateway), расстояние между которыми может измеряться метрами или тысячами километров. В межсетевых обменах также используется принцип вложения так пакеты Ethernet могут вкладываться в пакеты FDDI и т.д..

Обычно при описании сетей используется терминология 7-уровневой модели ISO ("стек протоколов"). Так уж получилось, но Интернет лишь с определенными натяжками можно описать, придерживаясь этой схемы.

Ethernet инкапсуляция (RFC 894) (размеры полей указаны в байтах)

Рис. 4.1.1.3.5. Вложение пакетов Интернет в Ethernet- и IEEE 802 пакеты

LLC - управление логической связью (logical link control); DSAP = 0xaa (destination service access point) - поле адреса доступа к службе получателя; SSAP = 0xaa (source service access point) - поле адреса доступа к службе отправителя; SNAP - протокол доступа к субсетям (subnetwork access protocol). PAD - поле заполнитель. В общем случае форматы полей DSAP и SSAP имеют вид, показанный на рис. 4.1.1.3.6 I/G = 0 - индивидуальный адрес, I/G =1 - групповой адрес; D - бит адреса службы места назначения, S - бит адреса службы отправителя; C/R =0 - команда, C/R =1 - подтверждение.

Рис. 4.1.1.3.6. Структура адресов DSAP и SSAP

Поле CNTL может иметь длину 1 или 2 байта, а его структура соответствовать I, S или U-форматам (см. разделы "Эталонная модель iso" и "x.25"). В однобайтовых полях DSAP и SSAP записывается код типа протокола сетевого уровня. Для протоколов IPX/SPX это и последующее поле содержат код 0xE0. Поле CNTL=03 обозначает нечисловой формат для уровня ethernet 802.2. Эти три байта часто представляют собой код производителя, как правило, совпадающий с первыми тремя байтами адреса отправителя. Иногда они просто делаются равными нулю. Поле тип (2 байта) характеризует используемую версию Ethernet. Из рисунка 4.1.1.3.5 видно, что первые два поля (адреса получателя и отправителя) и последнее поле (CRC) во всех форматах идентичны. При расчете CRC содержимое кадра рассматривается как двоичный полином. Производится деление этого кода на специальный образующий полином. Полученный остаток от деления дополняется по модулю один, результирующий код и считается контрольной суммой CRC. В поле адрес получателя может быть записан код 0xffffffffffff, что указывает на широковещательную адресацию кадра. Адрес отправителя такой код содержать не может. Третье поле может служить для выявления типа используемого протокола. Если в этом поле содержится число более 1500 (десятичное), это указывает на то, что данный кадр имеет формат Ethernet II, а само поле содержит не длину кадра а тип данных. Теперь, надеюсь, читателю понятно, почему кадр Ethernet 802.3 не может содержать более 1500 байт.

Кадр Ethernet 802.2 помимо первых трех полей содержит дополнительные три однобайтовые поля, следующие вслед за ними (DSAP, SSAP и CNTL). Кадр Ethernet SNAP является модификацией кадра Ethernet 802.2. Для этого кадра коды полей dsap и ssap равны 0xAA (признак кадра Ethernet SNAP), код CNTL=03 (нечисловой формат), поле код организации (3 байта, характеризует организацию сети) равен нулю (для IPX/SPX), а двухбайтовое поле тип характеризует протокол высокого уровня. Для протоколов IPX/SPX в этом поле должен быть записан код 0x8138 (для ip - 0x0800, для arp - 0x0806, для rarp - 0x8035, а для Apple Talk - 0x809b). Таблица кодов протоколов приведена в приложении Базовые протоколы Интернет (см. также RFC-1700). Поля тип протокола и по смыслу и по содержанию идентичны для всех разновидностей кадра Ethernet (кроме ieee 802.3).

Когда IP-дейтограмма попадает в ЭВМ, сетевое программное обеспечение передает ее программе IP-уровня. Если адрес места назначения совпадает с IP-адресом ЭВМ, дейтограмма принимается и передается на более высокий уровень для дальнейшей обработки. При несовпадении адресов дейтограмма уничтожается (переадресация дейтограмм для ЭВМ запрещена, это функция маршрутизатора). Хотя можно заставить ЭВМ выполнять задачи маршрутизации, с точки зрения Интернет-философии это плохая идея.

Различные сети и каналы имеют разные скорости обмена и надежность передачи. Это определяет длину пакета, пересылка которого с высокой вероятностью будет осуществлена без ошибки. Так как Интернет объединяет самые разные узлы и сети, использующие разные длины посылок, при реализации связи между такими объектами размер пакета задается наименее надежным узлом и длина пакета выбирается минимальной из двух. Поэтому при передаче длинного пакета через такой участок сети он сегментируется и передается по частям. Размер фрагмента определяется величиной максимального передаваемого блока (MTU - maximum transfer unit, в Ethernet MTU=1500 октетам). Величины MTU для других сред приведены в таблице 4.1.1.3.2:

Рассмотрим по фрагментную передачу дейтограммы с длиной в 1300 октетов в предположении, что более 576 октетов за один раз передать нельзя.

Рис. 4.1.1.3.6. Пример фрагментации пакета

Куда будет направлен Ethernet-кадр, указывает значение для типа в заголовке кадра (рис. 4.1.1.3.5). Если IP-пакет попадает в модуль IP, то содержащиеся в нем данные могут быть переданы либо модулю TCP (Transmission Control Protocol), либо UDP, что определяется полем "протокол" в заголовке IP-пакета.

Одним из основополагающих понятий в теории маршрутизации является автономная система (AS). Автономную систему составляет IP-сеть (или система из нескольких IP-сетей), проводящая единую политику внешней маршрутизации и имеющая одного или более операторов. Все AS имеют уникальные номера. Идеология AS позволяет решить проблему безудержного роста размера таблиц маршрутизации. Построение узла Интернет неотделимо от формирования локальной сети, поэтому прежде чем перейти к углубленному описанию протоколов TCP/IP, введем определения некоторых сетевых устройств, без которых построение локальной сети невозможно.

В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.

Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль – ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.

Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.

IP-адрес (Internet Protocol Address) — уникальный сетевой адрес узла в компьютерной сети, построенной по протоколу IP. В сети Интернет требуется глобальная уникальность адреса, в случае работы в локальной сети требуется уникальность адреса в пределах сети.

Internet Protocol — межсетевой протокол. Относится к маршрутизируемым протоколам сетевого уровня семейства TCP/IP.

Форматы адреса

IPv4 (Internet Protocol version 4) — четвёртая версия IP протокола, первая широко используемая.

IPv4 использует 32-битные адреса, ограничивающие адресное пространство 2 32 возможными уникальными адресами.

Представление адреса

Для удобства работы с IP – адресами 32- разрядную последовательность обычно разделяют на 4 части по 8 бит (на октеты), каждый октет переводят в десятичное число и при записи разделяют эти числа точками. В таком виде (это представление называется «dotted-decimal notation») IP.

Значение крайнего правого бита в октете – 1, значения остальных, справа налево – 2, 4, 8, 16, 32, 64 и 128.

Чтобы определить значение октета, нужно сложить значения позиций, где присутствует двоичная единица.

Таким образом, значение каждого из четырех октетов находится в диапазоне от 0 до 255. IP адрес делится а две части: идентификатор сети и узла (определяет узел TCP/IP).

Иерархическая структура IP-адресов представлена ниже:

Классы IP – адресов и маски подсети по умолчанию

IP-адрес и маска подсети совместно определяют то, какая часть IP-адреса является сетевой, а какая – соответствует адресу узла.

IP-адреса разделяются на 5 классов: A, B, C, D, E.

У адресов класса A старший бит установлен 0. Длина сетевого префикса - 8 бит. Для номера узла выделяется 3 байта (24 бита).

У адресов класса B два старших бита установлены в 1 и 0 соответственно. Длина сетевого префикса - 16 бит. Поле номера узла тоже имеет длину 16 бит. Класс B предназначен для применения в сетях среднего размера.

У адресов класса C три старших бита установлены в 1, 1 и 0 соответственно. Префикс сети имеет длину 24 бита, номер узла - 8 бит. Класс C предназначен для сетей с небольшим количеством узлов.

Адреса класса D представляют собой специальные адреса, не относящиеся к отдельным сетям. Первые 4 бита этих адресов равны 1110. Таким образом, значение первого октета этого диапазона адресов находится в пределах от 224 до 239. Адреса класса D используются для многоадресатных пакетов, с помощью которых во многих разных протоколах данные передаются многочисленным группам хостов. Эти адреса можно рассматривать как заранее запрограммированные в логической структуре большинства сетевых устройств.

Адреса в диапазоне 240.0.0.0 - 255.255.255.255 называются адресами класса E. Первый октет этих адресов начинается с битов 1111. Эти адреса зарезервированы для будущих дополнений в схеме адресации IP. Но возможность того, что эти дополнения когда-либо будут приняты, находится под вопросом, поскольку уже появилась версия 6 протокола IP (IPv6).

Характеристики адресов разного класса

Классовая и бесклассовая адресация

Классовая IP адресация — это метод IP-адресации, который не позволяет рационально использовать ограниченный ресурс уникальных IP-адресов, т.к. не возможно использование различных масок подсетей. В классовом методе адресации используется фиксированная маска подсети, поэтому класс сети (см. выше) всегда можно идентифицировать по первым битам.

Бесклассовая IP адресация (Classless Inter-Domain Routing – CIDR) — это метод IP-адресации, который позволяет рационально управлять пространством IP адресов. В бесклассовом методе адресации используются маски подсети переменной длины (variable length subnet mask — VLSM).

Возможные значения масок подсети при бесклассовом методе адресации (широко применяется в современных сетях):

Адреса одноадресных, широковещательных и многоадресных рассылок

Помимо классов, IP-адреса делятся на категории, предназначенные для одноадресных, широковещательных или многоадресных рассылок. С помощью IP-адресов узлы могут обмениваться данными в режиме «один к одному» (одноадресная рассылка), «один ко многим» (многоадресная рассылка) или «один ко всем» (широковещательная рассылка).

Одноадресная рассылка

Пакет с одноадресным назначением предназначен конкретному узлу. Пример: узел с IP-адресом 192.168.1.5 (источник) запрашивает веб-страницу с сервера с IP-адресом 192.168.1.200 (адресат).

Для отправки и приема одноадресного пакета в заголовке IP-пакета должен указываться IP-адрес назначения. Кроме того, в заголовке кадра Ethernet должен быть MAC-адрес назначения. IP-адрес и MAC-адрес – это данные для доставки пакета одному узлу.

Широковещательная рассылка

В пакете широковещательной рассылки содержится IP-адрес назначения, в узловой части которого присутствуют только единицы (1). Это означает, что пакет получат и обработают все узлы в локальной сети (домене широковещательной рассылки).

В сети класса C 192.168.1.0 с маской подсети по умолчанию 255.255.255.0 используется адрес широковещательной рассылки 192.168.1.255. Узловая часть – 255 или двоичное 11111111 (все единицы).

В сети класса B 172.16.0.0 с маской подсети по умолчанию 255.255.0.0 используется адрес широковещательной рассылки 172.16.255.255.

В сети класса A 10.0.0.0 с маской подсети по умолчанию 255.0.0.0 используется адрес широковещательной рассылки 10.255.255.255.

Для сетевого IP-адреса широковещательной рассылки нужен соответствующий MAC-адрес в кадре Ethernet. В сетях Ethernet используется MAC-адрес широковещательной рассылки из 48 единиц, который в шестнадцатеричном формате выглядит как FF-FF-FF-FF-FF-FF.

Многоадресная рассылка

Адреса многоадресных рассылок позволяют исходному устройству рассылать пакет группе устройств.

Устройства, относящиеся к многоадресной группе, получают ее IP-адрес. Диапазон таких адресов – от 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Поскольку адреса многоадресных рассылок соответствуют группам адресов (которые иногда называются группами узлов), они используются только как адресаты пакета. У источника всегда одноадресный адрес.

Как и одноадресным или широковещательным адресам, IP-адресам многоадресной рассылки нужен соответствующий MAC-адрес, позволяющий доставлять кадры в локальной сети. MAC-адрес многоадресной рассылки – это особое значение, которое в шестнадцатеричном формате начинается с 01-00-5E. Нижние 23 бита IP-адреса многоадресной группы преобразуются в остальные 6 шестнадцатеричных символов адреса Ethernet. Пример: шестнадцатеричное значение 01-00-5E-0F-64-C5. Каждому шестнадцатеричному символу соответствует 4 двоичных бита.

Структура пакета

Пакет IP содержит 14 полей, из которых 13 являются обязательными. Четырнадцатое поле предназначено для необязательных опций. Поля используют порядок байтов от старшего к младшему, старшие биты идут первыми. Первый бит имеет номер 0. Таким образом, например, поле с версией находится в четырех старших битах первого байта.

Differentiated Services Code Point

Explicit Congestion Notification

Контрольная сумма заголовка

Опции (если размер заголовка > 5)

Версия

Первым полем пакета является версия протокола размером в четыре бита. Для IPv4 это 4.

Размер заголовка

Differentiated Services Code Point (DSCP)

Изначально называлось «тип обслуживания» (Type of Service, ToS), в настоящее время определяется RFC2474 как «Differentiated Services». Используется для разделения трафика на классы обслуживания, например для установки чувствительному к задержкам трафику, такому как VoIP большего приоритета.

Указательперегрузки (Explicit Congestion Notification, ECN)

Предупреждение о перегрузке сети без потери пакетов. Является необязательной функцией и используется только если оба хоста ее поддерживают.

Размер пакета

16-битный полный размер пакета в байтах, включая заголовок и данные. Минимальный размер равен 20 байтам (заголовок без данных), максимальный — 65535 байт. Хосты обязаны поддерживать передачу пакетов размером не менее 576 байт, но современные реализации обычно поддерживают гораздо больший размер. Пакеты большего размера, чем поддерживает канал связи, фрагментируются.

Идентификатор

Преимущественно используется для идентификации фрагментов пакета если он был фрагментирован. Существуют эксперименты по его использованию для других целей, таких как добавление информации о трассировке пакета для упрощения отслеживания пути пакета с подделанным адресом источника.

Поле размером три бита содержащее флаги контроля над фрагментацией. Биты, от старшего к младшему, означают:

Если установлен флаг «не фрагментировать», то в случае необходимости фрагментации такой пакет будет уничтожен. Может использоваться для передачи данных хостам, не имеющим достаточных ресурсов для обработки фрагментированных пакетов.

Флаг «есть фрагменты» должен быть установлен в 1 у всех фрагментов пакета, кроме последнего. У нефрагментированных устанавливается в 0 — такой пакет считается собственным последним фрагментом.

Смещение фрагмента

«Время жизни» (Time to Live, TTL) пакета.

Указывает, данные какого протокола содержит пакет (например, TCP или ICMP).

Контрольная сумма заголовка

16-битная контрольная сумма, используемая для проверки целостности заголовка. Каждый хост или маршрутизатор сравнивает контрольную сумму заголовка со значением этого поля и отбрасывает пакет, если они не совпадают. Целостность данных IP не проверяет — она проверяется протоколами более высоких уровней (такими, как TCP или UDP), которые тоже используют контрольные суммы.

Поскольку TTL уменьшается на каждом шаге прохождения пакета, сумма тоже должна вычисляться на каждом шаге. Метод пересчета контрольной суммы определен в RFC1071.

Адрес источника

32-х битный адрес отправителя пакета. Может не совпадать с настоящим адресом отправителя из-за трансляции адресов.

Адрес назначения

32-х битный адрес получателя пакета.

За адресом назначения может следовать поле дополнительных опций, но оно используется редко. Размер заголовка в этом случае должен быть достаточным чтобы вместить все опции (с учетом дополнения до целого числа 32-х битных слов).

Если список опций не является концом заголовка, он должен оканчиваться опцией 0x00. Опции имеют следующий формат:

Замечание: Размер заголовка более 5 указывается на присутствие опций и необходимость их обработки.
Замечание: Поля «копировать», «класс опции» и «номер опции» иногда называют одним восьмибитным полем «тип опции».

Сравнение протоколов IP версии 4 (IPv4) и IP версии 6 (IPv6)

Более двадцати лет назад в IPv4 была предложена стратегия адресации, которая, будучи вполне подходящей для того времени, привела к неэффективному распределению адресов.

Адреса классов А и В покрывают 75% всего адресного пространства IPv4, но относительное число организаций, которые могли бы использовать сети этих классов, не превышает 17000. Сетей класса С значительно больше, чем сетей классов А и В, но количество доступных IP-адресов ограничивается всего 12,5% от их общего числа, равного 4 млрд.

В сетях класса С не может быть более 254 узлов, что не соответствует потребностям достаточно крупных организаций, но которые вместе с тем не настолько велики, чтобы получить адреса классов А и В. Даже если бы существовало больше адресов сетей классов А, В и С, слишком большое их число привело бы к тому, что маршрутизаторы сети Internet были бы вынуждены обрабатывать огромное количество таблиц маршрутизации, хранящих маршруты ко всем сетям.

За последние два десятилетия был разработан ряд технологий, расширяющих IPv4 и направленных для модернизации существующей 32-битовой схемы адресации. Две наиболее значительные из них — это маски подсетей и маршрутизация CIDR (Classless InterDomain Routing — бесклассовая междоменная маршрутизация).

В перспективе стандарт IPv6 должен заменить IPv4 в качестве доминирующего протокола в сети Internet.

Читайте также: