Адресация в IP сети

Адресация в IP сети

В IP сетях используют три типа:

• физические адреса узлов – MAC адреса (физический уровень);
• сетевые адреса – IP адреса (сетевой/транспортный уровень);
• символьные адреса – DNS (Domain Name System) имена (прикладной уровень) или доменные имена используемые для удобства запоминания. Связь между DNS именем и IP адресом устанавливается службой DNS. Например, для IP адреса Web сервера нашего факультета 212.46.206.2 закреплено имя www.fem-sut.spb.ru..

Остановимся на полном сетевом  IPv4 адресе, который представляет собой три 4-х байтовых числа:

• адрес. Например, 192.168.3.11
• маска. Например, 255.255.255.0
• шлюз. Например, 192.168.3.1

Используется несколько форм записи байтов IP адреса:

• Десятичная нотация (наиболее употребительная) – значения чисел в каждом байте записываются как десятичные числа от 0 до 255=2⁸-1 включительно.
• Двоичная нотация - значения чисел в каждом байте записываются как двоичные числа от 0000 0000 до 1111 1111 включительно.
• Шестнадцатиричная нотация - значения чисел в каждом байте записываются как шестнадцатиричные числа от 00 до FF включительно.

Маска служит для отделения в IP адресе номера сети от номера узла. Для сокращения записей иногда маска обозначается количеством единиц в старших разрядах, например, для адреса 192.168.3.11 и маски 255.255.255.0, что в двоичной форме соответствует  
адресу 1100 0000.1010 1000.0000 0011.0000 0011 и  
  маске 1111 1111.1111 1111.1111 1111.0000 0000, можно записать 192.168.3.11/24.

Смысл маски IP адреса можно понять, рассмотрев действия узла при приёме пакета.

1. В принятом пакете на адрес назначения накладывается маска и определяется номер сети назначения. Термин «накладывается» означает побитовое логическое умножение (операция «И») 4-х байтового IP адреса на 4-е байта маски. Например,

IP адрес 192.168.3.187  (1100 0000.1010 1000.0000 0011.1011 1011)

  маска   255.255.255.240      (1111 1111.1111 1111.1111 1111.1111 0000)

результат наложения (номер  сети)

              192.168.3.176         (1100 0000.1010 1000.0000 0011.1011 0000)

2. Если номер сети не «наш», пакет игнорируется. Если сеть «наша», то выполняется следующий шаг.
3. Проверяется:
• совпадение своего номера узла и номера узла назначения или
• наличие признака широковещательной рассылки. Адрес широковещательной рассылки имеет значения 1 в битах, относящихся к номеру узла (хоста). Для примера из п.1 это 192.168.3.191        (1100 0000.1010 1000.0000 0011.1011 1111)

Если ни одно из условий не выполняется, то пакет игнорируется. Если хотя бы одно из условий выполняется, то выполняется  следующий шаг.

4. Пакет обрабатывается согласно IP протоколу.

Шлюз – это адрес узла, которому посылается пакет при невозможности определения МАС адреса узла назначения.

Для прояснения роли шлюза рассмотрим два примера пересылки пакетов  из компьютеров в ауд. 30 (см. рис. 1.).

Рис. 1. Пересылка IP пакетов.

Пусть следует переслать пакет  из узла 301NT в узел 308NT.

Узел 301NT в результате наложения маски на IP адрес узла назначения определяет, что узел назначения 308NT находится в той же сети. Затем 301NT обращается к своей таблице соответствия МАС и IP адресов. Если для IP адреса узла 308NT (192.168.3.18) имеется значение МАС адреса, то для отправки пакета всё готово и пакет отправляется. Если МАС адреса нет, то с помощью протокола ARP предпринимается попытка определения искомого МАС адреса. Для этого отправляется широковещательный пакет с запросом – «У кого требуемый IP адрес (192.168.3.18)?». Если узел 308NT работает, то он ответит на этот запрос и сообщит в ответе свой МАС адрес, который будет занесён в узле 301NT в таблицу известных МАС адресов. Если ответ не будет получен, то в узле 301NT будет активировано сообщение «Узел 308NT недоступен». Пересылка пакета внутри сети называется прямой адресацией, для которой шлюз не нужен.

Во втором примере рассмотрим пересылку пакета от узла 301NT к узлу в сети Internet.

Поскольку МАС адреса узла назначения в таблице узла 301NT гарантированно отсутствует (узел назначения находится вне сети 192.168.3.0), то пакет отправляется на шлюз S1FEM (сетевой интерфейс 192.168.3.1). В таблице маршрутизации узла S1FEM указано, что все пакеты из сети 192.168.3.0 следует переправлять на интерфейс (сетевую карту с адресом) 192.168.1.5, т.е в сеть 192.168.1.0.

По аналогичным причинам МАС  адреса узла назначения в таблице  узла S1FEM гарантированно нет, и пакет отправляется на шлюз NT40S1 (сетевой интерфейс 192.168.1.1). МАС адреса узла назначения в таблице узла NT40S1 также нет, и пакет отправляется на шлюз NS (сетевой интерфейс 192.168.1.4). В таблице маршрутизации узла NS указано, что все пакеты из сети 192.168.1.0 следует переправлять на интерфейс (сетевую карту с адресом) 212.46.206.2, т.е в сеть провайдера 212.46.206.0 и т.д.

Иногда используют классовую систему  деления адресов. По этой классификации  сети делятся на 5 классов.

Класс А. Старший бит – 0. Маска 255.0.0.0. Диапазон от 1.0.0.0 до 126.255.255.254. Диапазон от 0.0.0.0 до 0.255.255.255 зарезервирован для специальных целей. Например, адрес 0.0.0.0 – внутренний адрес любого узла. Диапазон от 127.0.0.0 до 127.255.255.255 – для интерфейсов обратной связи. Например, адрес 127.0.0.1 – традиционная «заглушка» для тестирования стека. Всего различных номеров сетей – 125, в каждой сети может быть до (2⁸*2⁸*2⁸-2)=16 777 214 узлов Номер х.0.0.0 используется для обозначения всей сети, а номер х.255.255.255 – для широковещательной рассылки. Для локальных сетей отведён диапазон от 10.0.0.0 до 10.255.255.255.

Класс B. Два старших бита – 10. Маска 255.255.0.0. Диапазон от 128.0.0.0 до 191.255.255.254. Общее количество номеров сетей – 2⁶*2⁸=16 384, в каждой сети может быть (2⁸*2⁸-2) = 65 534 узла. Для локальных сетей отведён диапазон от 172.16.0.0 до 172.31.255.255 (172.16.0.0/12).

Класс С. Три старших бита – 110. Маска 255.255.255.0. Диапазон от 192.0.0.0 до 223.255.255.254. Номеров сетей – 2⁵*2⁸*2⁸= 2 097 152, в каждой сети может быть (2⁸-2) = 254 узла. Для локальных сетей отведён диапазон от 192.168.0.0 до 192.168.255.255.

Класс D. Старший полубайт – 1110. Групповые/широковещательные адреса. Диапазон от 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Для локальных сетей отведён диапазон от 239.0.0.0 до 239.255.255.255.

Класс Е. Старшие пять битов – 11110. Зарезервированные адреса. Диапазон от 240.0.0.0 до 247.255.255.255.

В сетях с большим (свыше 100 компьютеров) количеством узлов целесообразным является использование протокола DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) автоматической раздачи IP адресов и одноимённой службы.