Адресация IP-протокола

Один из самых важных элементов стека протоколов TCP/IP –самостоятельная система адресацииIP-протокола. IP-адреса делают возможным обмен информацией между компьютерами, работающими под управлением различных ОС и на разных платформах, обеспечивая уникальными идентификаторами компьютеры и сети, в кото­рые они включены.

Организация построения и присвоения IP-адресов составляет существенную часть администрирования сети TCP/IP.

В стеке TCP/IP используются три типа адресов:

1) локальные (или аппаратные) адреса, используемые для адресации узлов в пределах систем;

2) сетевые адреса (IP-адреса), используемые для однозначной идентификации узлов в пределах всей составной сети;

3) доменные имена – символьные идентификаторы узлов, к которым часто обращаются пользователи.

В общем случае сетевой интерфейс может иметь одновременно один или несколько локальных адресов и один или несколько сетевых адресов, а также одно или несколько доменных имен.

В терминологии TCP/IP под локальным адресом понимается такой тип адреса, который используется средствами базовой технологии для доставки данных в пределах подсети, являющейся элементом составной интерсети. В разных подсетях допустимы разные сетевые технологии, разные стеки протоколов, поэтому при создании стека TCP/IP предполагалось наличие разных типов локальных адресов. Если подсетью интерсети является локальная сеть, то локальный адрес – это уникальный аппаратный адрес, назначаемый сетевым адаптерам производителями оборудования.

Сетевые адреса (IP-адреса) представляют собой основной тип адресов, на основании которых сетевой уровень передает пакеты между сетями. IP-адрес назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов (см. подраздел 11.3). IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно либо назначен по рекомендации специального сетевого информационного центра Internet (Internet Network Information Center – InterNIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно поставщики услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений InterNIC, а затем распределяют их между своими абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей. Поэтому каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP-адрес. Конечный узел также может входить в несколько IP-сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP-адресов по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

Символьные имена в IP-сетях называются доменными и они строятся по иерархическому признаку. Составляющие части полного символьного имени в IP-сетях разделяются точкой и перечисляются в следующем порядке: сначала простое имя конечного узла, затем имя группы узлов (например, имя организации), затем имя более крупной группы (поддомена) и так далее до имени домена самого высокого уровня (например, домена объединяющего организации по географическому принципу: RU – Россия, UK – Великобритания, US – США). Между доменным именем и IP-адресом узла нет никакого алгоритмического соответствия, поэтому необходимо использовать какие-то дополнительные таблицы или службы, чтобы узел сети однозначно определялся как по доменному имени, так и по IP-адресу. В сетях TCP/IP используется специальная распределенная служба системы доменных имен DNS (Domain Name System), которая устанавливает это соответствие на основании создаваемых администраторами сети таблиц соответствия. Поэтому доменные имена называют также DNS-именами.

Рассмотрение форм записи и классов IP-адресов, а также вопросов распределения и назначения IP-адресов выходит за рамки тематики данного учебного пособия.

11.3. Маршрутизация и маршрутизаторы

Маршрутизация является одной из наиболее важных и сложных операций, выполняемых стеком протоколов TCP/IP.

Маршрутизатор (router) – это устройство, подключенное к двум или нескольким сетям и пересылающее пакеты из одной сети в другую. Маршрутизаторы функционируют на сетевом уровне и поэтому способны соединять сети, работающие с различными протоколами канального уровня и на различных сетевых средах. В небольшой интерсети задача маршрутизатора довольно проста. Если с его помощью соединены, например, две ЛВС, ему достаточно получать пакеты от одной и при необходимости переправлять их во вторую. В крупных интерсетях к одному маршрутизатору подключается множество локальных сетей, а к одной сети может подключаться несколько маршрутизаторов. Поэтому к одной и той же цели пакеты могут добираться различными путями. Если один или несколько маршрутизаторов выходят из строя, пакеты все равно должны доходить до места назначения по обходным или резервным маршрутам.

В сложных интерсетях перед маршрутизатором стоит еще одна задача – выбор наиболее эффективного пути для доставки пакета. Обычно это маршрут, позволяющий пакету достичь целевой системы с минимальным количеством транзитов, то есть встретив на своем пути наименьшее число маршрутизаторов. Маршрутизаторы обмениваются между собой информацией о сетях, к которым они подключены. В результате строится составная картина интерсети. В сложной интерсети, например, в Интернете, ни один из маршрутизаторов не обладает полной картиной всей интерсети. Для передачи пакета маршрутизаторам приходится работать совместно.

Маршрутизатор может быть реализован как в виде самостоятельного устройства, так и в виде обычного компьютера. Так как возможность маршрутизации IP-трафика имеется в современных сетевых операционных системах, то для превращения в маршрутизатор компьютера достаточно установить на нем по крайней мере два сетевых адаптера, подключить их к двум различным сетям и задать в конфигурации компьютера маршрутизацию трафика между этими сетями.

Если компьютер используется как IP-маршрутизатор, все установленные на нем сетевые адаптеры должны иметь собственные IP-адреса, соответствующие сети, к которой они подключены. Маршрутизатор, реализованный в виде отдельного устройства, в сущности также представляет собой специализированный компьютер. В его состав входят несколько встроенных сетевых адаптеров, процессор и память для хранения информации о маршрутах и буферизации пакетов.

Важнейшей составляющей любого маршрутизатора является таблица маршрутизации. Она содержит информацию, которую маршрутизатор использует для отправки пакетов по назначению. Если целевая система находится в другой сети, в таблице маршрутизации будет записан адрес маршрутизатора, которым нужно воспользоваться, чтобы добраться до нее. Поскольку пакет должен быть доставлен компьютеру другой сети, такая маршрутизация называется косвенной (indirect). По сути, таблица маршрутизации представляет собой список сетей (и, возможно, узлов) и адресов маршрутизаторов, к которым система должна обращаться для передачи данных в эти сети.

Существуют два метода обновления таблицы маршрутизации – статический и динамический. При статической маршрутизации строки таблицы создаются администратором сети вручную с помощью специальной программы. При динамической маршрутизации строки таблицы маршрутизации создаются автоматически специализированными протоколами, работающими на маршрутизаторах. С помощью этих протоколов маршрутизаторы обмениваются сообщениями с информацией о маршрутах с другими близкими маршрутизаторами, то есть каждый маршрутизатор передает соседним маршрутизаторам свою таблицу маршрутизации.

Очевидно, что статическая маршрутизация эффективно работает лишь в небольших интерсетях. Преимущество динамической маршрутизации заключается в том, что она не только избавляет администратора от трудоемкого процесса «ручного» составления таблицы маршрутизации, но и автоматически учитывает все изменения структуры сети. Например, если один из маршрутизаторов выходит из строя, то его неспособность обмениваться информацией с другими маршрутизаторами приводит через некоторое время к его удалению из таблиц маршрутизации, а пакеты направляются по обходным маршрутам. После восстановления работоспособности маршрутизатор входит в контакт с другими маршрутизаторами и добавляется в их таблицы. В интерсети, подобной Интернету, структура меняется практически непрерывно, а отслеживание всех изменений в такой огромной сети «вручную» не представляется реальным.

Более подробное изложение механизмов маршрутизации не входит в круг вопросов, рассматриваемых в настоящем учебном пособии.

Резюме

Протоколы сетевого уровня многоуровневой модели сетевого взаимодействия отвечают за передачу данных от отправителя к получателю по интерсети. Самый популярный протокол сетевого уровня – протокол IP, который выполняет упаковку пакета данных транспортного уровня в дейтаграмму, идентификацию систем в сети по их IP-адресам, определение наиболее эффективного пути к целевой системе, идентификацию протокола транспортного уровня.

Протоколы транспортного уровня многоуровневой модели сетевого взаимодействия совместно с протоколами сетевого уровня обеспечивают единый сервис, необходимый приложениям для работы с сетью. Наиболее популярны протоколы транспортного уровня TCP и UDP, обеспечивающие приложениям разный уровень сервиса при передаче данных.

Существенную часть администрирования сети составляет организация построения и присвоения IP-адресов. В стеке протоколов TCP/IP используются локальные (или аппаратные) адреса, сетевые адреса (IP-адреса), доменные имена.

Одной из наиболее важных и сложных операций, выполняемых стеком протоколов TCP/IP, являетсямаршрутизация. Устройство, подключенное к двум или нескольким сетям и пересылающее пакеты из одной сети в другую называют маршрутизатором. Маршрутизаторы функционируют на сетевом уровне и поэтому способны соединять сети, работающие с различными протоколами канального уровня и на различных сетевых средах. В сложных интерсетях перед маршрутизатором стоит задача выбора наиболее эффективного пути для доставки пакета данных.

Важнейшей составляющей любого маршрутизатора является таблица маршрутизации. Для ее обновления применяются методы статической и динамической маршрутизации. Статическая маршрутизация эффективно работает лишь в небольших интерсетях. Преимущество динамической маршрутизации заключается в том, что она не только избавляет администратора от трудоемкого процесса «ручного» составления таблицы маршрутизации, но и автоматически учитывает все изменения структуры сети.

Контрольные вопросы и задания

1. Для чего предназначены протоколы, работающие на сетевом уровне эталонной модели сетевого взаимодействия?

2. Какие функции выполняет протокол сетевого уровня IP?

3. Охарактеризуйте протокол транспортного уровня TCP.

4. В чем заключается различие протоколов транспортного уровня TCP и UDP?

5. Назовите и опишите типы адресов, используемых в стеке протоколов TCP/IP.

6. Опишите механизмы распределения и назначения IP-адресов.

7. Какие задачи в вычислительных сетях решают маршрутизаторы?

8. Каковы возможные способы практической реализации маршрутизаторов?

9. Что такое таблица маршрутизации и какую информацию она содержит?

10. В каком случае маршрутизацию называют косвенной?

11. Опишите методы обновления таблицы маршрутизации.

12. В чем заключаются преимущества динамической маршрутизации?