Адресация и маршрутизация в IP-сетях

Существуют три механизма адресации пакета IP:

– одноадресный (unicast). Указывается один определенный адрес хоста и предполагается, что именно этот узел отправит пакет на более высокие уровни эталонной модели OSI;

– широковещательные (broadcast). Пакеты пересылаются всем пользо- вателям локальной сети;

– многоадресные (multicast). Пакеты используют специальный диапазон адресов, что позволяет группе пользователей в разных подсетях получать тот же поток данных. Именно это позволяет отправителю посылать один пакет, который получат сразу несколько хостов.

Типы адресов в IP сетях. Каждый терминал в сети TCP/ IP имеет адреса трех уровней:

– физический (МАС-адрес) – локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена сеть, в которую входит данный узел;

– сетевой (IP-адрес), используемый для однозначной идентификации узлов в пределах всей составной сети;

– доменное имя (DNS-имя) – символьный идентификатор узла, к которому часто обращается пользователь.

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.

Классы IP-адресов. 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 – десятичная форма представления адреса; 10000000 00001010 00000010 00011110 – двоичная форма представления этого же адреса.

Какая часть из 32 бит, отведенных под IP-адрес, относится к номеру сети, а какая – к номеру узла? Можно предло­жить несколько вариантов решений этой проблемы.

Простейший вариант состоит в том, что все 32-битовое поле адреса заранее делится на две части, не обязатель­но равной, но фиксированной длины, в одной из которых всегда будет разме­щаться номер сети, а в другой – номер узла. Такой способ структуризации адреса и не нашел применения.

Другой подход основан на использовании маски, которая позволяет максимально гибко устанавливать границу между номером сети и номером узла. В данном случае маска – это число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит последовательность единиц 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. Граница между последовательностью единиц и последовательностью нулей в маске соответствует границе между номером сети и номером узла в IP-адресе. При таком подходе адресное пространство можно представить как совокупность множества сетей разного размера.

Вводится несколько классов сетей, и для каждого класса определены свои размеры. На рисунке 2.1 показана структура IP-адреса.

Рисунок 2.1 – Структура IP-адреса

Если адрес начинается с 0, то этот адрес относится к классу A. Сети класса А предназначены, в основном, для использования лишь несколькими большими сетями, поскольку они предоставляют только 8 бит для поля сетевого адреса и 24 бита для поля хоста (номер узла в сети), доступных сетей 126, а доступных хостов 16 777 214 (2²⁴).

Если первые два бита адреса равны 10, то адрес относится к классу В. В адресах: класса В под номер сети и под номер узла отводится по два байта. Этот класс адресов представляет собой неплохой компромисс между адресным пространством сети и хоста, доступных сетей 16 384, а доступных хостов 65 534 (2¹⁶).

Если адрес начинается с последовательности битов 110, то это адрес класса С. В этом случае под номер сети отводился 24 бита, а под номер узла – 8 бит. Сети класса C наиболее распространены, но число узлов (хостов) в них ограничено значением 2⁸ (256).

Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес(multicast).Групповой адрес идентифицирует группу узлов (сетевых интерфейсов), которые в общем случае могут принадлежать разным сетям. Интерфейс, входящий в группу, получает наряду с обычным индивидуальным IP-адресом еще один групповой адрес. Если при от­правке пакета в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой па­кет должен быть доставлен всем узлам, которые входят в группу.

Если адрес начинается с последовательности 11110, то это значит, что данный адрес относится к классу E. Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений.

Маршрутные протоколы применяются маршрутизаторами при выборе наилучшего маршрута для отправляемых пакетов. Маршрутные протоколы определяют формат заголовка пакета данных. В заголовках пакетов содержится информация, которую маршрутизаторы используют для выбора нужного направления ретрансляции пакетов. Этот выбор производится на основе адреса сети назначения и поиска оптимальных маршрутов в таблице маршрутизации.

Протоколы маршрутизации, т. е. протоколы управления процессами динамической маршрутизации применяются маршрутизаторами для составления и обновления таблиц маршрутизации. Эти протоколы описывают алгоритмы обмена служебными данными о маршрутах между маршрутизаторами, а также алгоритмы вычисления оптимальных маршрутов. В сетях TCP/IP для этой цели используют протоколы RIP, OSPF и др.

Протоколы маршрутизации предназначены для автоматического построения таблиц маршрутизации, на основе которых происходит продвижение пакетов сетевого уровня.

Сейчас сети IP используют два основных типа протоколов динамической маршрутизации – дистанционно-векторная маршрутизация и маршрутизация по состоянию каналов.

Дистанционно-векторная маршрутизация отвечает за количество пройденных транзитных участков (маршрутизаторов), это алгоритм, который используют маршрутизаторы для определения наилучшего маршрута.

Маршрутизация по состоянию каналов затрагивает, главным образом, состояние интерфейсов, которые поддерживают маршрутизатор (т. е. соединение есть или его нет). Маршрутизаторы состояния канала поддерживают таблицу топологии, с помощью которой создается полная картина сети. Это означает, что трафик обновления информации о маршрутизации передается (потребляя ресурсы сети) и обновляет таблицы топологии только тогда, когда любой из интерфейсов подключается или отключается.

Задача продвижения пакета от сети источника до сети назначения в каждом маршрутизаторе распадается на две задачи:

– обработка пакета с помощью имеющейся таблицы маршрутизации;

– построение таблицы маршрутизации.

Назначение протоколов маршрутизации состоит в автоматическом решении вто­рой задачи. Для этого маршрутизаторы сети обмениваются специальной служеб­ной информацией о топологии составной сети, на основе которой каждый мар­шрутизатор выбирает маршруты к узлам назначения. Протокол маршрутизации должен созда­вать в маршрутизаторах согласованные друг с другом таблицы маршрутизации, то есть такие, которые обеспечат доставку пакета от исходной сети в сеть назна­чения за конечное число шагов.

Внутренний протокол маршрутизации RIP. Этот протокол предназначен для сравнительно небольших и относительно однородных сетей (алгоритм Белмана-Форда). Протокол OSPF (алгоритмы предложены Дикстрой) является альтернативой RIP в качестве внутреннего протокола маршрутизации. OSPF представляет собой протокол состояния маршрута (в качестве метрики используется – коэффициент качества обслуживания). Каждый маршрутизатор обладает полной информацией о состоянии всех интерфейсов всех маршрутизаторов (переключателей) автономной системы. Протокол IGRP разработан фирмой CISCO для своих многопротокольных маршрутизаторов в середине 80-х годов. IGRP представляет собой протокол, который позволяет большому числу маршрутизаторов координировать свою работу. Протокол BGP разработан компаниями IBM и CISCO. Главная цель BGP – сократить транзитный трафик.

Методы маршрутизации. В настоящее время на сетях с КП используются протоколы маршрутизации, в основе которых реализован один из следующих методов маршрутизации:

– прозрачная маршрутизация;

– одношаговая маршрутизация;

– маршрутизация от источника.

Прозрачная маршрутизация используется во всех мостах, устанавливаемых в сетях Ethernet и некоторых сетях Token Ring. В основе метода лежит принцип, согласно которому ни сам пакет, ни мост, через который он передается, не должны что-либо знать о маршруте передачи пакета. Каждый мост продвигает пакеты с одной сети во все прилегающие сети до тех пор, пока они не достигнут адреса получателя. Движение пакета по сети не целенаправленно.

Метод одношаговой маршрутизации используется в сетях TCP/IP. Каждый маршрутизатор и конечный узел принимает участие в выборе только одного шага передачи дейтаграммы. В каждой строке таблицы маршрутизации указывается только один IP-адрес следующего маршрутизатора на том пути, по которому нужно передать дейтаграмму.

При маршрутизации от источника выбор маршрута производится конечным узлом-отправителем или первым маршрутизатором на пути следования пакета. Остальные маршрутизаторы только отрабатывают выбранный путь, т. е. ответственность за выбор оптимального маршрута возлагается не на сеть, а на узел-отправитель либо первый маршрутизатор.

Основная литература: 1[94 – 104], 3[146 – 154].

Дополнительная литература: 11[29 –39]

Контрольные вопросы:

1. Какие классы и типы IP-адресов вы знаете?

2.Чем отличаются маршрутные протоколы от протоколов маршрутизации?

3. За что отвечают дистанционно-векторная маршрутизация и маршру- тизация по состоянию каналов?

4. Какие из методов маршрутизации вы знаете?

5. Что означает прозрачная маршрутизация?