Заметка

Для перевода чисел из десятичной системы счисления в двоичную используют так называемый "алгоритм замещения", состоящий из следующей последовательности действий:

Делим десятичное число А на 2. Частное Q запоминаем для следующего шага, а остаток a записываем как младший бит двоичного числа.

Если частное q не равно 0, принимаем его за новое делимое и повторяем процедуру, описанную в шаге 1. Каждый новый остаток (0 или 1) записывается в разряды двоичного числа в направлении от младшего бита к старшему.

Алгоритм продолжается до тех пор, пока в результате выполнения шагов 1 и 2 не получится частное Q = 0 и остаток a = 1.

Например, требуется перевести десятичное число 247 в двоичное. В соответствии с приведенным алгоритмом получим:

247: 2 = 123

247 - 246 = 1, остаток 1 записываем в старший разряд двоичного числа.

123: 2 = 61

123 - 122 = 1, остаток 1 записываем в старший разряд двоичного числа.

61: 2 = 30

61 - 60 = 1, остаток 1 записываем в старший разряд двоичного числа.

30: 2 = 15

30 - 30 = 0, остаток 0 записываем в старший разряд двоичного числа.

15: 2 = 7

15 - 14 = 1, остаток 1 записываем в старший разряд двоичного числа.

7: 2 = 3

7 - 610 = 1, остаток 1 записываем в старший разряд двоичного числа.

3: 2 = 1

3 - 2 = 1, остаток 1 записываем в старший разряд двоичного числа.

1: 2 = 0, остаток 1 записываем в старший разряд двоичного числа.

Таким образом, искомое двоичное число равно 111101112.

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.

Рис. 5.9. Структура IP-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.) 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. 5.4 приведены диапазоны номеров сетей и максимальное число узлов, соответствующих каждому классу сетей.

Таблица 5.4. Характеристики адресов разного класса

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

7.3 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 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).

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 к 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 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.

7.4 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).

ПРИМЕЧАНИЕ Для записи масок используются и другие форматы, например, удобно интерпретировать значение маски, записанной в шестнадцатеричном 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.

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.

7.5 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 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.

Рис. 5.10. Нерациональное использование пространства IP-адресов

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 Inker-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 устройство (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.

7.6 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.

DHCP может поддерживать способ автоматического динамического распределения адресов, 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, посылает в сеть широковещательный запрос на получение IP-адреса. DHCP - cepвер 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 возможность 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.

7.7 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, 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 АRР-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

Поле «Тип записи» может содержать одно из двух значений - «динамический» или «статический». Статические записи создаются вручную с помощью утилиты агр и не имеют срока устаревания, точнее, они существуют до тех пор, пока компьютер или маршрутизатор не будут выключены. Динамические же записи создаются модулем протокола ARP, использующим широковещательные возможности локальных сетевых технологий. Динамические записи должны периодически обновляться. Если запись не обновлялась в течение определенного времени (порядка нескольких минут), то она исключается из таблицы. Таким образом, в ARP - таблице содержатся записи не обо всех узлах сети, а только о тех, которые активно участвуют в сетевых операциях. Поскольку такой способ хранения информации называют кэшированием, ARP-таблицы иногда называют ARP-кэш.

В глобальных сетях администратору сети чаще всего приходится вручную формировать ARP-таблицы, в которых он задает, например, соответствие IP-адреса адресу узла сети Х.25, который имеет для протокола IP смысл локального адреса. В последнее время наметилась тенденция автоматизации работы протокола ARP и в глобальных сетях. Для этой цели среди всех маршрутизаторов, подключенных к какой-либо глобальной сети, выделяется специальный маршрутизатор, который ведет ARP-таблицу для всех остальных узлов и маршрутизаторов этой сети. При таком централизованном подходе для всех узлов и маршрутизаторов вручную нужно задать только IP-адрес и локальный адрес выделенного маршрутизатора. Затем каждый узел и маршрутизатор регистрирует свои адреса в выделенном маршрутизаторе, а при необходимости установления соответствия между IP-адресом и локальным адресом узел обращается к выделенному маршрутизатору с запросом и автоматически получает ответ без участия администратора. Работающий таким образом маршрутизатор называют ARP-сервером.

Итак, после того как модуль IP обратился к модулю ARP с запросом на разрешение адреса, происходит поиск в ARP-таблице указанного в запросе IP-адреса. Если таковой адрес в ARP-таблице отсутствует, то исходящий IP-пакет, для которого нужно было определить локальный адрес, ставится в очередь. Далее протокол ARP формирует свой запрос (ARP-запрос), вкладывает его в кадр протокола канального уровня и рассылает запрос широковещательно.

Все узлы локальной сети получают ARP-запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес, а затем отправляет его уже направленно, так как в ARP-запросе отправитель указывает свой локальный адрес. ARP-запросы и ответы используют один и тот же формат пакета. В табл. 5.6 приведены значения полей примера ARP-запроса для передачи по сети Ethernet.

Таблица 5.6. Пример ARP-запроса

В поле «тип сети» для сетей Ethernet указывается значение 1.

Поле «тип протокола» позволяет использовать протокол ARP не только для протокола IP, но и для других сетевых протоколов. Для IP значение этого поля равно 0800 is.

Длина локального адреса для протокола Ethernet равна 6 байт, а длина IP-адреса - 4 байт. В поле операции для ARP-запросов указывается значение 1, если это запрос, и 2, если это ответ.

Из этого запроса видно, что в сети Ethernet узел с IP-адресом 194.85.135.75 пытается определить, какой МАС - адрес имеет другой узел той же сети, сетевой адрес которого 194.85.135.65. Поле искомого локального адреса заполнено нулями.

Ответ присылает узел, опознавший свой IP-адрес. Если в сети нет машины с искомым IP-адресом, то ARP-ответа не будет. Протокол IP уничтожает IP-пакеты, направляемые по этому адресу. (Заметим, что протоколы верхнего уровня не могут отличить случай повреждения сети Ethernet от случая отсутствия машины с искомым IP-адресом.) В табл. 5.7 помещены значения полей ARP-ответа, который мог бы поступить на приведенный выше пример ARP-запроса.

Таблица 5.7. Пример ARP-ответа

Этот ответ получает машина, сделавшая ARP-запрос. Модуль ARP анализирует ARP-ответ и добавляет запись в свою ARP-таблицу (табл. 5.8). В результате обмена этими двумя ARP-сообшениями модуль IP-узла 194.85.135.75 определил, что IP-адресу 194.85.135.65 соответствует МАС - адрес 00E0F77F1920. Новая запись в ARP-таблице появляется автоматически, спустя несколько миллисекунд после того, как она потребовалась.

Таблица 5.8. Обновленная ARP-таблица

ПРИМЕЧАНИЕ Некоторые реализации IP и ARP не ставят IP-пакеты в очередь на время ожидания ARP-ответов. Вместо этого IP-пакет просто уничтожается, о его восстановление возлагается на модуль TCP или прикладной процесс, работающий через UDP. Такое восстановление выполняется с помощью тайм-аутов и повторных передач. Повторная передача сообщения проходит успешно, так как первая попытка уже вызвала заполнение ARP-таблицы.

7.8 Отображение доменных имен на IP-адреса

Организация доменов и доменных имен

Для идентификации компьютеров аппаратное и программное обеспечение в сетях TCP/IP полагается на IP-адреса, поэтому для доступа к сетевому ресурсу в параметрах программы вполне достаточно указать IP-адрес, чтобы программа правильно поняла, к какому хосту ей нужно обратиться. Например, команда ftp://192.45.66.17 будет устанавливать сеанс связи с нужным ftp-сервером, а команда https://203.23.106.33 откроет начальную страницу на корпоративном Web-сервере. Однако пользователи обычно предпочитают работать с символьными именами компьютеров, и операционные системы локальных сетей приучили их к этому удобному способу. Следовательно, в сетях TCP/IP должны существовать символьные имена хостов и механизм для установления соответствия между символьными именами и IP-адресами.

В операционных системах, которые первоначально разрабатывались для работы в локальных сетях, таких как Novell NetWare, Microsoft Windows или IBM OS/2, пользователи всегда работали с символьными именами компьютеров. Так как локальные сети состояли из небольшого числа компьютеров, то использовались так называемые плоские имена, состоящие из последовательности символов, не разделенных на части. Примерами таких имен являются: NW1_1, mail2, MOSCOW_SALES_2. Для установления соответствия между символьными именами и МАС - адресами в этих операционных системах применялся механизм широковещательных запросов, подобный механизму запросов протокола ARP. Так, широковещательный способ разрешения имен реализован в протоколе NetBIOS, на котором были построены многие локальные ОС. Так называемые NetBIOS-имена стали на долгие годы одним из основных типов плоских имен в локальных сетях.

Для стека TCP/IP, рассчитанного в общем случае на работу в больших территориально распределенных сетях, подобный подход оказывается неэффективным по нескольким причинам.

Плоские имена не дают возможности разработать единый алгоритм обеспечения уникальности имен в пределах большой сети. В небольших сетях уникальность имен компьютеров обеспечивает администратор сети, записывая несколько десятков имен в журнале или файле. При росте сети задачу решают уже несколько администраторов, согласовывая имена между собой неформальным способом. Однако если сеть расположена в разных городах или странах, то администраторам каждой части сети нужно придумать способ именования, который позволил бы им давать имена новым компьютерам независимо от других администраторов, обеспечивая в то же время уникальность имен для всей сети. Самый надежный способ решения этой задачи - отказ от плоских имен в принципе.

Широковещательный способ установления соответствия между символьными именами и локальными адресами хорошо работает только в небольшой локальной сети, не разделенной на подсети. В крупных сетях, где общая широковещательность не поддерживается, нужен другой способ разрешения символьных имен. Обычно хорошей альтернативой широковещательности является применение централизованной службы, поддерживающей соответствие между различными типами адресов всех компьютеров сети. Компания Microsoft для своей корпоративной операционной системы Windows NT разработала централизованную службу WINS, которая поддерживает базу данных NetBIOS-имен и соответствующих им IP-адресов.

Для эффективной организации именования компьютеров в больших сетях естественным является применение иерархических составных имен.

В стеке TCP/IP применяется доменная система имен, которая имеет иерархическую древовидную структуру, допускающую использование в имени произвольного количества составных частей (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Пространство доменных имен

Иерархия доменных имен аналогична иерархии имен файлов, принятой во многих популярных файловых системах. Дерево имен начинается с корня, обозначаемого здесь точкой (.). Затем следует старшая символьная часть имени, вторая по старшинству символьная часть имени и т. д. Младшая часть имени соответствует конечному узлу сети. В отличие от имен файлов, при записи которых сначала указывается самая старшая составляющая, затем составляющая более низкого уровня и т. д., запись доменного имени начинается с самой младшей составляющей, а заканчивается самой старшей. Составные части доменного имени отделяется друг от друга точкой. Например, в имени partnering.microsoft.com составляющая partnering является именем одного из компьютеров в домене Microsoft.com.

Разделение имени на части позволяет разделить административную ответственность за назначение уникальных имен между различными людьми или организациями в пределах своего уровня иерархии. Так, для примера, приведенного на рис. 5.11, один человек может нести ответственность за то, чтобы все имена, которые имеют окончание «та», имели уникальную следующую вниз по иерархии часть. Если этот человек справляется со своими обязанностями, то все имена типа www.ru, mail.mmt.ru или m2.zil.mmt.ru будут отличаться второй по старшинству частью.

Разделение административной ответственности позволяет решить проблему образования уникальных имен без взаимных консультаций между организациями, отвечающими за имена одного уровня иерархии. Очевидно, что должна существовать одна организация, отвечающая за назначение имен верхнего уровня иерархии.

Совокупность имен, у которых несколько старших составных частей совпадают, образуют домен имен (domain). Например, имена wwwl.zil.mmt.ru, ftp.zil.mmt.ru, yandex.ru и sl.mgu.ru входят в домен ru, так как все эти имена имеют одну общую старшую часть - имя ru. Другим примером является домен mgu.ru. Из представленных на рис. 5.11 имен в него входят имена sl.mgu.ru, s2.mgu.ru и rn.mgu.ru. Этот домен образуют имена, у которых две старшие части всегда равны rngu.ru. Имя www.mmt.ru в домен mgu.ru не входит, так как имеет отличающуюся составляющую mmt.

ВНИМАНИЕ Термин «домен» очень многозначен, поэтому его нужно трактовать в рамках определенного контекста. Кроме доменов имен стека TCP/IP в компьютерной литературе также часто упоминаются домены Windows NT, домены коллизий н некоторые другие. Общим у всех этих терминов является то, что они описывают некоторое множество компьютеров, обладающее каким-либо определенным свойством.

Если один домен входит в другой домен как его составная часть, то такой домен могут называть поддоменом (subdomain), хотя название домен за ним также остается. Обычно поддомен называют по имени той его старшей составляющей, которая отличает его от других поддоменов. Например, поддомен mmt.ru обычно называют поддоменом (или доменом) mmt. Имя поддомену назначает администратор вышестоящего домена. Хорошей аналогией домена является каталог файловой системы.

Если в каждом домене и поддомене обеспечивается уникальность имен следующего уровня иерархии, то и вся система имен будет состоять из уникальных имен.

По аналогии с файловой системой, в доменной системе имен различают краткие имена, относительные имена и полные доменные имена. Краткое имя - это имя конечного узла сети: хоста или порта маршрутизатора. Краткое имя - это лист дерева имен. Относительное имя - это составное имя, начинающееся с некоторого уровня иерархии, но не самого верхнего. Например, wwwi.zil - это относительное имя. Полное доменное имя (fully qualified domain name, FQJDN) включает составляющие всех уровней иерархии, начиная от краткого имени и кончая корневой точкой: wwwl.zil.mmt.ru.

Необходимо подчеркнуть, что компьютеры входят в домен в соответствии со своими составными именами, при этом они могут иметь совершенно различные IP-адреса, принадлежащие к различным сетям и подсетям. Например, в домен mgu.ru могут входить хосты с адресами 132.13.34.15, 201.22.100.33,14.0.0.6. Доменная система имен реализована в сети Internet, но она может работать и как автономная система имен в крупной корпоративной сети, использующей стек TCP/IP, но не связанной с Internet.

В Internet корневой домен управляется центром InterNIC. Домены верхнего уровня назначаются для каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO 3166. Для обозначения стран используются трехбуквенные и двухбуквенные аббревиатуры, а для различных типов организаций - следующие обозначения:

corn - коммерческие организации (например, microsoft.com);

edu - образовательные (например, mitedu);

gov - правительственные организации (например, nsf.gov);

org - некоммерческие организации (например, fidonet.org);

net - организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).

Каждый домен администрируется отдельной организацией, которая обычно разбивает свой домен на поддомены и передает функции администрирования этих поддоменов другим организациям. Чтобы получить доменное имя, необходимо зарегистрироваться в какой-либо организации, которой InterNIC делегировал свои полномочия по распределению имен доменов. В России такой организацией является РосНИИРОС, которая отвечает за делегирование имен поддоменов в домене ru.

8. Сетевой уровень: IP протокол

8.1 Сетевой уровень в Интернете

На сетевом уровне Интернет можно рассматривать как набор подсетей или автономных систем, соединенных друг с другом. Структуры как таковой Интернет не имеет, но все же есть несколько магистралей. Они собраны из высокопроизводительных линий и быстрых маршрутизаторов. К магистралям присоединены региональные сети (сети среднего уровня), с которыми, в свою очередь, соединяются локальные сети многочисленных университетов, компаний и провайдеров. Схема этой квазииерархической структуры показана на рис. 5.46.

Вся эта конструкция «склеивается» благодаря протоколу сетевого уровня, IP (Internet Protocol – протокол сети Интернет). В отличие от большинства ранних протоколов сетевого уровня, IP с самого начала разрабатывался как протокол межсетевого обмена. Вот как можно описать данный протокол сетевого уровня: его работа заключается в приложении максимума усилий (тем не менее, без всяких гарантий) по транспортировке дейтаграмм от отправителя к получателю независимо от того, находятся эти машины в одной и той же сети или нет.

Соединение в сети Интернет представляет собой следующее. Транспортный уровень берет поток данных и разбивает его на дейтаграммы. Теоретически размер каждой дейтаграммы может достигать 64 Кбайт, однако на практике они обычно не более 1500 байт (укладываются в один кадр Ethernet). Каждая дейтаграмма пересылается по Интернету, возможно, разбиваясь при этом на более мелкие фрагменты, собираемые сетевым уровнем получателя в исходную дейтаграмму. Затем эта дейтаграмма передается транспортному уровню, вставляющему ее во входной поток получающего процесса. На рис. 5.46 видно, что пакет, посланный хостом 1, пересечет на своем пути шесть сетей, прежде чем доберется до хоста 2. На практике промежуточных сетей оказывается гораздо больше.

Рис. 5.46. Интернет представляет собой набор соединенных друг с другом сетей

8.2 Протокол IP

Начнем изучение сетевого уровня Интернета с формата IP-дейтаграмм. IP-дейтаграмма состоит из заголовка и текстовой части. Заголовок содержит обязатель­ную 20-байтную часть, а также необязательную часть переменной длины. Формат заголовка показан на рис. 5.47. Он передается слева направо, то есть старший бит поля Версия передается первым. (В процессоре SPARC байты располагаются сле­ва направо, в процессоре Pentium – наоборот, справа налево.) На машинах, у ко­торых старший байт располагается после младшего, как, например, у семейства процессоров корпорации Intel, требуется программное преобразование как при передаче, так и при приеме.

Рис. 5.47. Заголовок IР-дейтаграммы IPv4

Поле Версия содержит версию протокола, к которому принадлежит дейта­грамма. Включение версии в каждую дейтаграмму позволяет использовать разные версии протокола на разных машинах. Дело в том, что с годами протокол изменялся, и на одних машинах сейчас работают новые версии, тогда как на других продолжают использоваться старые. Сейчас происходит переход от версии IPv4 к версии IPv6. Он длится уже много лет, и не похоже, что скоро завершится (Durand, 2001; Wiljakka, 2002; Waddington и Chang, 2002). Некоторые даже счи­тают, что это не произойдет никогда (Weiser, 2001). Что касается нумерации, то ничего странного в ней нет, просто в свое время существовал мало кому известный экспериментальный протокол реального масштаба времени IPv5.

Длина заголовка является переменной величиной, для хранения которой выделено поле IHL (информация в нем представлена в виде 32-разрядных слов). Минимальное значение длины (при отсутствии необязательного поля) равно 5. Максимальное значение этого 4-битового поля равно 15, что соответствует заголовку длиной 60 байт; таким образом, максимальный размер необязательного поля равен 40 байтам. Для некоторых приложений, например, для записи маршрута, по которому должен быть переслан пакет, 40 байт слишком мало. В данном случае дополнительное поле оказывается бесполезным.

Поле Тип службы – единственное поле, смысл которого с годами несколько изменился. Оно было (впрочем, и до сих пор) предназначено для различения классов обслуживания. Возможны разные комбинации надежности и скорости. Для оцифрованного голоса скорость доставки важнее точности. При передаче файла, наоборот, передача без ошибок важнее быстрой доставки.

Изначально 6-разрядное поле Тип службы состояло из трехразрядного поля Precedence и трех флагов – Д Т и R. Поле Precedence указывало приоритет, от 0 (нормальный) до 7 (управляющий сетевой пакет). Три флаговых бита позволяли хосту указать, что беспокоит его сильнее всего, выбрав из набора {Delay, Throughput, Reliability} (Задержка, Пропускная способность, Надежность). Тео­ретически, эти поля позволяют маршрутизаторам выбрать, например, между спутниковой линией с высокой пропускной способностью и большой задержкой и выделенной линией с низкой пропускной способностью и небольшой задерж­кой. На практике сегодняшние маршрутизаторы часто вообще игнорируют поле Тип службы.

Поле Полная длина содержит длину всей дейтаграммы, включая как заголовок, так и данные. Максимальная длина дейтаграммы 65 535 байт. В настоящий момент этот верхний предел достаточен, однако с появлением гигабитных сетей могут понадобиться дейтаграммы большего размера.

Поле Идентификатор позволяет хосту-получателю определить, какой дейтаграмме принадлежат полученные им фрагменты. Все фрагменты одной дейтаграммы содержат одно и то же значение идентификатора.

Следом идет один неиспользуемый бит и два однобитных поля. Бит DF означает Don’t Fragment (Не фрагментировать). Это команда маршрутизатору, за­прещающая ему фрагментировать дейтаграмму, так как получатель не сможет восстановить ее из фрагментов. Например, при загрузке компьютера его ПЗУ может запросить образ памяти в виде единой дейтаграммы. Пометив дейтаграмму битом DF, отправитель гарантирует, что дейтаграмма дойдет единым блоком, да­же если для ее доставки придется избегать сетей с маленьким размером пакетов. От всех машин требуется способность принимать фрагменты размером 576 байт и менее.

Бит MF означает More Fragments (Продолжение следует). Он устанавливается во всех фрагментах, кроме последнего. По этому биту получатель узнает о прибытии последнего фрагмента дейтаграммы.

Поле Смещение фрагмента указывает положение фрагмента в исходной дейтаграмме. Длина всех фрагментов в байтах, кроме длины последнего фрагмента, должна быть кратна 8. Так как на это поле выделено 13 бит, максимальное количество фрагментов в дейтаграмме равно 8192, что дает максимальную длину дейтаграммы 65 536 байт, на 1 байт больше, чем может содержаться в поле Полная длина.

Поле Время жизни представляет собой счетчик, ограничивающий время жизни пакета. Предполагалось, что он будет отсчитывать время в секундах, таким образом, допуская максимальное время жизни пакета в 255 с. На каждом маршрутизаторе это значение должно было уменьшаться как минимум на единицу плюс время стояния в очереди. Однако на практике этот счетчик просто считает количество переходов через маршрутизаторы. Когда значение этого поля становится равным нулю, пакет отвергается, а отправителю отсылается пакет с предупреждением. Таким образом, удается избежать вечного странствования пакетов, что может произойти, если таблицы маршрутизаторов по какой-либо причине испортятся.

Собрав дейтаграмму из фрагментов, сетевой уровень должен решить, что с ней делать. Поле Протокол сообщит ему, какому процессу транспортного уровня ее передать. Это может быть TCP, UDP или что-нибудь еще. Нумерация процессов глобально стандартизирована по всему Интернету. Номера протоколов вместе с некоторыми другими были сведены в RFC 1700, однако теперь доступна интернет-версия в виде базы данных, расположенной по адресу www.iana.org.

Поле Контрольная сумма заголовка защищает от ошибок только заголовок. Подобная контрольная сумма полезна для обнаружения ошибок, вызванных не­исправными микросхемами памяти маршрутизаторов. Алгоритм вычисления суммы просто складывает все 16-разрядные полуслова в дополнительном коде, преобразуя результат также в дополнительный код. Таким образом, проверяемая получателем контрольная сумма заголовка (вместе с этим полем) должна быть равна нулю. Этот алгоритм надежнее, чем обычное суммирование. Обратите внимание на то, что значение Контрольной суммы заголовка должно подсчитываться заново на каждом транзитном участке, так как по крайней мере одно поле постоянно меняется (поле Время жизни). Для ускорения расчетов применяются некоторые хитрости.

Поля Адрес отправителя и Адрес получателя указывают номер сети и номер хоста. Интернет-адреса будут обсуждаться в следующем разделе. Поле Необязательная часть было создано для того, чтобы с появлением новых вариантов протокола не пришлось вносить в заголовок поля, отсутствующие в нынешнем формате. Оно же может служить пространством для различного рода экспериментов, испытания новых идей. Кроме того, оно позволяет не включать в стандартный заголовок редко используемую информацию. Размер поля Необязательная часть может варьироваться. В начале поля всегда располагается однобайтный идентификатор. Иногда за ним может располагаться также однобайтное поле дли­ны, а затем один или несколько информационных байтов. В любом случае, раз­мер поля Необязательная часть должен быть кратен 4 байтам. Изначально было определено пять разновидностей этого поля, перечисленных в табл. 5.6, однако с тех пор появилось несколько новых. Текущий полный список имеется в Интер­нете, его можно найти по адресу www.iana.org/assignments/ip-parameters.

Таблица 5.6. Некоторые типы необязательного поля IP-дейтаграммы

Тип	Описание
Безопасность	Указывает уровень секретности дейтаграммы
Свободная маршрутизация от источника	Задает список маршрутизаторов, которые нельзя миновать
Запомнить маршрут	Требует от всех маршрутизаторов добавлять свой IP-адрес
Временной штамп	Требует от всех маршрутизаторов добавлять свой IP-адрес и текущее время

Параметр Безопасность указывает уровень секретности дейтаграммы. Теоретически, военный маршрутизатор может использовать это поле, чтобы запретить маршрутизацию дейтаграммы через территорию определенных государств. На практике все маршрутизаторы игнорируют этот параметр, так что его единственное практическое применение состоит в помощи шпионам в поиске ценной ин­формации.

Параметр Строгая маршрутизация от источника задает полный путь следования дейтаграммы от отправителя до получателя в виде последовательности IP-адресов. Дейтаграмма обязана следовать именно по этому маршруту. Наи­большая польза этого параметра заключается в том, что с его помощью систем­ный менеджер может послать экстренные пакеты, когда таблицы маршрутизатора повреждены, или замерить временные параметры сети.

Параметр Свободная маршрутизация от источника требует, чтобы пакет прошел через указанный список маршрутизаторов в указанном порядке, но при этом по пути он может проходить через любые другие маршрутизаторы. Обычно этот параметр указывает лишь небольшое количество маршрутизаторов. Например, чтобы заставить пакет, посылаемый из Лондона в Сидней, двигаться не на вос­ток, а на запад, можно указать в этом параметре IP-адреса маршрутизаторов в Нью-Йорке, Лос-Анджелесе и Гонолулу. Этот параметр наиболее полезен, когда по политическим или экономическим соображениям следует избегать прохожде­ния пакетов через определенные государства.

Параметр Запомнить маршрут требует от всех маршрутизаторов, встречаю­щихся по пути следования пакета, добавлять свой IP-адрес к полю Необязатель­ная часть. Этот параметр позволяет системным администраторам вылавливать ошибки в алгоритмах маршрутизации («Ну почему все пакеты, посылаемые из Хьюстона в Даллас, сначала попадают в Токио?»). Когда была создана сеть ARPANET, ни один пакет не проходил больше чем через девять маршрутизаторов, поэтому 40 байт для этого параметра было как раз достаточно. Как уже гово­рилось, сегодня размер поля Необязательная часть оказывается слишком мал.

Наконец, параметр Временной штамп действует полностью аналогично параметру Запомнить маршрут, но кроме 32-разрядного IP-адреса, каждый маршрутизатор записывает также 32-разрядную запись о текущем времени. Этот пара­метр также применяется в основном для отладки алгоритмов маршрутизации.

8.3 IP-адреса

У каждого хоста и маршрутизатора в Интернете есть IP-адрес, состоящий из номера сети и номера хоста. Эта комбинация уникальна: нет двух машин с одинаковыми IP-адресами. Все IP-адреса имеют длину 32 бита и используются в полях Адрес отправителя и Адрес получателя IP-пакетов. Важно отметить, что IP-адрес, на самом деле, не имеет отношения к хосту. Он имеет отношение к сетевому интерфейсу, поэтому хост, соединенный с двумя сетями, должен иметь два IP-адреса. Однако на практике большинство хостов подключены к одной сети, следовательно, имеют один адрес.

В течение вот уже нескольких десятилетий IP-адреса делятся на пять классов, показанных на рис. 5.48. Такое распределение обычно называется полноклассовой адресацией. Сейчас такая адресация уже не используется, но ссылки на нее в литературе встречаются все еще довольно часто. Чуть позже мы обсудим то, что пришло ей на смену.

Форматы классов А, В, С и D позволяют задавать адреса до 128 сетей с 16 млн хостов в каждой, 16 384 сетей с 64 тысячами хостов или 2 миллионов сетей (например, ЛВС) с 256 хостами (хотя некоторые из них могут быть специализированными). Предусмотрен класс для многоадресной рассылки, при которой дейтаграммы рассылаются одновременно на несколько хостов. Адреса, начинающиеся с 1111, зарезервированы для будущего применения. В настоящее время к Интернету подсоединено более 500 ООО сетей, и это число растет с каждым годом. Во избежание конфликтов, номера сетям назначаются некоммерческой корпорацией по присвоению имен и номеров, ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers). В свою очередь, ICANN передала полномочия по присвоению некоторых частей адресного пространства региональным органам, занимающимся выделением IP-адресов провайдерам и другим компаниям.

Сетевые адреса, являющиеся 32-разрядными числами, обычно записываются в виде четырех десятичных чисел, которые соответствуют отдельным байтам, разделенных точками. Например, шестнадцатеричный адрес С0290614 записывается как 192.41.6.20. Наименьший IP-адрес равен 0.0.0.0, а наибольший – 255.255.255.255.

Как видно из рис. 5.49, числа 0 и -1 (единицы во всех разрядах) имеют осо­бое назначение. Число 0 означает эту сеть или этот хост. Значение -1 использу­ется для широковещания и означает все хосты указанной сети.

Рис. 5.49. Специальные IP-адреса

IP-адрес 0.0.0.0 используется хостом только при загрузке. IP-адреса с нулевым номером сети обозначают текущую сеть. Эти адреса позволяют машинам обращаться к хостам собственной сети, не зная ее номера (но они должны знать ее класс и количество используемых нулей). Адрес, состоящий только из единиц, обеспечивает широковещание в пределах текущей (обычно локальной) сети. Адреса, в которых указана сеть, но в поле номера хоста одни единицы, обеспечивают широковещание в пределах любой удаленной локальной сети, соединенной с Интернетом. Наконец, все адреса вида 127.xx.yy.zz зарезервированы для тестирования сетевого программного обеспечения методом обратной передачи. Отправляемые по этому адресу пакеты не попадают на линию, а обрабатываются локально как входные пакеты. Это позволяет пакетам перемещаться по локаль­ной сети, когда отправитель не знает номера.

8.4 Подсети

Как было показано ранее, у всех хостов сети должен быть один и тот же номер сети. Это свойство IP-адресации может вызвать проблемы при росте сети. Например, представьте, что университет создал сеть класса В, используемую факультетом информатики в качестве Ethernet. Год спустя факультету электротехники понадобилось подключиться к Интернету, для чего был куплен повторитель для расширения сети факультета информатики и проложен кабель из его здания. Однако время шло, число компьютеров в сети росло, и четырех повторителей (максимальный предел для сети Ethernet) стало не хватать. Понадобилось создание новой архитектуры.

Получить второй сетевой адрес университету довольно сложно, потому что сетевые адреса – ресурс дефицитный, к тому же в одном сетевом адресе адресного пространства достаточно для подключения более 60 000 хостов. Проблема заключается в следующем: правилом установлено, что адрес одного класса (А, В или С) относится только к одной сети, а не к набору ЛВС. С этим столкнулось множество организаций, в результате чего были произведены небольшие изменения в системе адресации.

Проблема решилась предоставлением сети возможности разделения на несколько частей с точки зрения внутренней организации. При этом с точки зре­ния внешнего представления сеть могла оставаться единой сущностью. Типичная сеть университетского городка в наши дни выглядит так, как показано на рис. 5.50. Здесь главный маршрутизатор соединен с провайдером или региональ­ной сетью, а на каждом факультете может быть установлена своя локальная сеть Ethernet. Все сети Ethernet с помощью своих маршрутизаторов соединяются с главным маршрутизатором университетской сети (возможно, с помощью магистральной ЛВС, однако здесь важен сам принцип межмаршрутизаторной связи).

Рис. 5.50. Университетская сеть, состоящая из ЛВС разных факультетов

В литературе, посвященной интернет-технологиям, части сети называются подсетями. Как уже упоминалось в главе 1, подобное использование этого термина конфликтует со старым понятием «подсети», обозначающим множество всех маршрутизаторов и линий связи в сети. К счастью, по контексту обычно бы­вает ясно, какой смысл вкладывается в это слово. По крайней мере, в данном разделе «подсеть» будет употребляться только в новом значении.

Как центральный маршрутизатор узнает, в какую из подсетей (Ethernet) направить пришедший пакет? Одним из способов является поддержание маршрутизатором таблицы из 65 536 записей, говорящих о том, какой из маршрутизаторов использовать для доступа к каждому из хостов. Эта идея будет работать, но потребуется очень большая таблица и много операций по ее обслуживанию, вы­полняемых вручную, при добавлении, перемещении и удалении хостов.

Была изобретена альтернативная схема работы. Вместо одного адреса класса В с 14 битами для номера сети и 16 битами для номера хоста было предло­жено использовать несколько другой формат – формировать адрес подсети из нескольких битов. Например, если в университете существует 35 подразделе­ний, то 6-бигным номером можно кодировать подсети, а 10-битным – номера хостов. С помощью такой адресации можно организовать до 64 сетей Ethernet по 1022 хоста в каждой (адреса 0 и -1 не используются, как уже говорилось, поэтому не 1024 (2¹⁰), а именно 1022 хоста). Такое разбиение может быть изменено, если окажется, что оно не очень подходит.

Все, что нужно маршрутизатору для реализации подсети, это наложить маску подсети, показывающую разбиение адреса на номер сети, подсети и хоста (рис. 5.51). Маски подсетей также записываются в виде десятичных чисел, раз­деленных точками, с добавлением косой черты, за которой следует число битов номера сети и подсети. Например, на рис. 5.51 маску подсети можно записать в виде 255.255.252.0. Альтернативная запись будет включать /22, показывая, что маска подсети занимает 22 бита.

Рис. 5.51. Сеть класса В, разделенная на 64 подсети

За пределами сети разделение на подсети незаметно, поэтому нет нужды с по­явлением каждой подсети обращаться в ICANN или изменять какие-либо внеш­ние базы данных. В данном примере первая подсеть может использовать IP-ад­реса, начиная с 130.50.4.1; вторая – начиная с 130.50.8.1; третья – 130.50.12.1, и т. д. Чтобы понять, почему на каждую подсеть уходит именно четыре единицы в адресе, вспомните двоичную запись этих адресов:

Подсеть 1: 10000010 00110010 000001|00 00000001

Подсеть 2: 10000010 00110010 000010|00 00000001

Подсеть 3: 10000010 00110010 000011|00 00000001

Здесь вертикальная черта (|) показывает границу номера подсети и хоста.

Слева расположен 6-битный номер подсети, справа – 10-битный номер хоста.

Чтобы понять, как функционируют подсети, следует рассмотреть процесс обработки IP-пакетов маршрутизатором. У каждого маршрутизатора есть таблица, содержащая IP-адреса сетей (вида <сетъ, 0>) и IP-адреса хостов (вида <эта_ сеть, хост>). Адреса сетей позволяют получать доступ к удаленным сетям, а ад­реса хостов – обращаться к локальным хостам. С каждой таблицей связан сете­вой интерфейс, применяющийся для получения доступа к пункту назначения, а также другая информация.

Когда IP-пакет прибывает на маршрутизатор, адрес получателя, указанный в пакете, ищется в таблице маршрутизации. Если пакет направляется в удаленную сеть, он пересылается следующему маршрутизатору по интерфейсу, указанному в таблице. Если пакет предназначен локальному хосту (например, в локальной сети маршрутизатора), он посылается напрямую адресату. Если номера сети, в которую посылается пакет, в таблице маршрутизатора нет, пакет пересылается маршрутизатору по умолчанию, с более подробными таблицами. Такой алгоритм означает, что каждый маршрутизатор должен учитывать только другие сети и локальные хосты, а не пары <сеть, хост>, что значительно уменьшает размер таблиц маршрутизатора.

При разбиении сети на подсети таблицы маршрутизации меняются – добавляются записи вида <эта_сетъ, подсеть, 0> и <эта_сеть, эта_подсеть, хост>. Таким образом, маршрутизатор подсети k знает, как получить доступ ко всем другим подсетям и как добраться до всех хостов своей подсети. Ему нет нужды знать детали адресации хостов в других подсетях. На самом деле, все, что для этого требуется от маршрутизатора, это выполнить двоичную операцию И над маской подсети, чтобы избавиться от номера хоста, а затем найти получившийся адрес в таблицах (после определения класса сети). Например, пакет, адресован­ный хосту с IP-адресом 130.50.15.6 и прибывающий на центральный маршрути­затор, после выполнения операции И с маской 255.255.252.0/22 получает адрес

Это значение ищется в таблицах маршрутизации, и с его помощью определяется выходная линия маршрутизатора к подсети 3. Итак, разбиение на подсети уменьшает объем таблиц маршрутизаторов путем создания трехуровневой иерархии, состоящей из сети, подсети и хоста.

8.5 CIDR – бесклассовая междоменная маршрутизация

В течение многих лет IP оставался чрезвычайно популярным протоколом. Он ра­ботал просто прекрасно, и основное подтверждение тому - экспоненциальный рост сети Интернет. К сожалению, протокол IP скоро стал жертвой собственной популярности: стало подходить к концу адресное пространство. Эта угроза вы­звала бурю дискуссий и обсуждений в Интернет-сообществе. В этом разделе мы опишем как саму проблему, так и некоторые предложенные способы ее решения.

В теперь уже далеком 1987 году некоторые дальновидные люди предсказыва­ли, что настанет день, когда в Интернете будет 100 000 сетей. Большинство экс­пертов посмеивались над этим и говорили, что если такое когда-нибудь и про­изойдет, то не раньше, чем через много десятков лет. Стотысячная сеть была подключена к Интернету в 1996 году. И, как уже было сказано, нависла угроза выхода за пределы пространства IP-адресов. В принципе, существует 2 миллиарда адресов, но на практике благодаря иерархической организации адресного пространства (см. рис. 5.48) это число сократилось на миллионы. В частности, од­ним из виновников этого является класс сетей В. Для большинства организаций класс А с 16 миллионами адресов – это слишком много, а класс С с 256 адресами – слишком мало. Класс В с 65 536 адресами – это то, что нужно. В интернет- фольклоре такая дилемма известна под названием проблемы трех медведей (вспомним Машу и трех медведей).

На самом деле и класс В слишком велик для большинства контор, которые устанавливают у себя сети. Исследования показали, что более чем в половине случаев сети класса В включают в себя менее 50 хостов. Безо всяких сомнений, всем этим организациям хватило бы и сетей класса С, однако почему-то все уверены, что в один прекрасный день маленькое предприятие вдруг разрастется на­столько, что сеть выйдет за пределы 8-битного адресного пространства хостов. Сейчас, оглядываясь назад, кажется, что лучше было бы использовать в классе С 10-битную адресацию (до 1022 хостов в сети). Если бы это было так, то, возможно, большинство организаций приняло бы разумное решение устанавливать у себя сети класса С, а не В. Таких сетей могло бы быть полмиллиона, а не 16 384, как в случае сетей класса В.

Нельзя обвинять в создавшейся ситуации проектировщиков Интернета за то, что они не увеличили (или не уменьшили) адресное пространство сетей класса В. В то время, когда принималось решение о создании трех классов сетей, Интернет был инструментом научно-исследовательских организаций США (плюс несколько компаний и военных организаций, занимавшихся исследованиями с помощью сети). Никто тогда не предполагал, что Интернет станет коммерческой системой коммуникации общего пользования, соперничающей с телефонной сетью. Тогда кое-кто сказал, ничуть не сомневаясь в своей правоте: «В США около 2000 колледжей и университетов. Даже если все они подключатся к Интернету и к ним присоединятся университеты из других стран, мы никогда не превысим число 16 000, потому что высших учебных заведений по всему миру не так уж много. Зато мы будем кодировать номер хоста целым числом байт, что ускорит процесс обработки пакетов».

Даже если выделить 20 бит под адрес сети класса В, возникнет другая проблема: разрастание таблиц маршрутизации. С точки зрения маршрутизаторов, адресное пространство IP представляет собой двухуровневую иерархию, состоящую из номеров сетей и номеров хостов. Маршрутизаторы не обязаны знать номера вообще всех хостов, но им необходимо знать номера всех сетей. Если бы ис­пользовалось полмиллиона сетей класса С, каждому маршрутизатору пришлось бы хранить в таблице полмиллиона записей, по одной для каждой сети, в которых сообщалось бы о том, какую выходную линию использовать, чтобы добраться до той или иной сети, а также о чем-нибудь еще.

Физическое хранение полумиллиона строк таблицы, вероятно, выполнимо, хотя и дорого для маршрутизаторов, хранящих таблицы в статической памяти плат ввода-вывода. Более серьезная проблема состоит в том, что сложность обработки этих таблиц растет быстрее, чем сами таблицы, то есть зависимость между ними не линейная. Кроме того, большая часть имеющихся программных и программно-аппаратных средств маршрутизаторов разрабатывалась в те времена, когда Интернет объединял 1000 сетей, а 10 000 сетей казались отдаленным будущим. Методы реализации тех лет в настоящее время далеки от оптимальных.

Различные алгоритмы маршрутизации требуют от каждого маршрутизатора периодической рассылки своих таблиц (например, протоколов векторов расстоя­ний). Чем больше будет размер этих таблиц, тем выше вероятность потери части информации по дороге, что будет приводить к неполноте данных и возможной нестабильности работы алгоритмов выбора маршрутов.

Проблема таблиц маршрутизаторов может быть решена при помощи увеличе­ния числа уровней иерархии. Например, если бы каждый IP-адрес содержал поля страны, штата, города, сети и номера хоста. В таком случае каждому маршру­тизатору нужно будет знать, как добраться до каждой страны, до каждого штата или провинции своей страны, каждого города своей провинции или штата и до каждой сети своего города. К сожалению, такой подход потребует существенно более 32 бит для адреса, а адресное поле будет использоваться неэффективно (для княжества Лихтенштейн будет выделено столько же разрядов, сколько для Соединенных Штатов).

Таким образом, большая часть решений разрешает одну проблему, но взамен создает новую. Одним из решений, реализуемым в настоящий м