Адресация в IP-сетях

7.1. Логические адреса версии IPv4

Узлы IP-сети имеют уникальные физические и логические адреса. Физический устанавливается изготовителем аппаратных средств, например МАС-адрес сетевой карты NIC, который "прошивается" в ПЗУ. Логический адрес устанавливается пользователем (администратором) или назначается динамически протоколом DHCP из диапазона выделенных адресов. Логические адреса узлов в IP-сетях версии IPv4, используемой в настоящее время, содержат 32 двоичных разряда, т. е. 4 байта. Каждый из 4 байт адреса в технической документации отображается десятичным числом, а байты разделяются точкой, например, 172.100.220.14. Часть этого адреса (старшие разряды) является номером сети, а другая часть (младшие разряды) – номером узла в сети. Таким образом, IP-адреса являются иерархическими, в отличие от плоских МАС-адресов. В соответствии с тем, какая часть адреса относится к номеру сети, а какая – к номеру узла, адреса делятся на классы. Для уникальной адресации узлов используются три класса адресов.

В адресе класса А старший байт задает адрес сети, а три младших байта – адрес узла (host).

В адресе класса В два старших байта задают адрес сети, а два младших байта – адрес узла (host).

В адресе класса С три старших байта задают адрес сети, а младший байт – адрес узла.

Существует также многоадресный (multicast) класс D и резервный класс E. Дополнительная информация по классам и адресам приведена в таблице 7.1.

Номер узла (адрес host) не может состоять только из одних единиц или нулей. Если в поле адреса узла все нули, это значит, что задается номер (адрес) сети или подсети. Если же в этом поле все двоичные разряды равны единице, то это означает широковещательный (broadcast) адрес, предназначенный всем узлам сети, в которой находится узел, сформировавший данный пакет, т.е. источник передаваемой информации. Этим объясняется уменьшение максимального числа узлов в сети на 2 (см. таблицу 7.1). Таким образом, максимальное число узлов в сети класса С будет равно 2⁸ - 2 = 254.

Старший разряд адреса класса А всегда равен 0, поэтому адреса сетей могут находиться в диапазоне от 1 до 127. Однако адрес 127.0.0.1 предназначен для самотестирования, по этому адресу узел обращается к самому себе, проверяя, установлен ли протокол TCP/IP на этом хосте. Поэтому адрес сети 127.0.0.0 не входит в состав адресов таблицы 7.1.

С целью сокращения количества адресов, которыми оперирует маршрутизатор, в его таблице маршрутизации задаются адреса сетей, а не узлов. В то же время в адресной части пакета задаются адреса узлов (см. рис 6.7). Поэтому маршрутизатор, получив пакет, должен из адреса назначения получить адрес сети. Эту операцию маршрутизатор реализует путем логического умножения сетевого адреса узла на маску. Число разрядов маски равно числу разрядов IP-адреса. Непрерывная последовательность единиц в старших разрядах маски задает число разрядов адреса, относящихся к номеру сети. Младшие разряды маски, равные нулю, соответствуют разрядам адреса узла в сети. При логическом умножении адреса узла на маску получается адрес сети. Например, при умножении IP-адреса 192.100.12.67 на стандартную маску класса С, равную 255.255.255.0, получается следующий результат:

т. е. получен номер сети 192.100.12.0.

Аналогичная запись предыдущего адреса с соответствующей маской класса С может также иметь следующий вид: 192.100.12.67/24, означающий, что маска содержит единицы в 24 старших разрядах. При этом 24 старших разряда будут одинаковы для всех узлов сети, т.е. образуют общую часть адреса, называемую префиксом. Именно префикс имеет обозначение /24.

Стандартная маска адреса класса В имеет 16 единиц в старших разрядах и 16 нулей в младших. Поэтому если адрес узла будет равен 172.16.37.103/16, адрес сети будет равен 172.16.0.0. Маска адреса класса А имеет 8 единиц в старших разрядах и 24 нуля в младших. Поэтому, например, адресу узла 10.116.37.103/8 соответствует адрес сети 10.0.0.0.

Разбиение адресов на классы жестко задает максимальное количество узлов в сети. Этому соответствуют протоколы маршрутизации типа Classful, которые требуют, чтобы использовалась единая (стандартная) маска сети. Например, в сети с адресом 192.168.187.0 может использоваться стандартная маска 255.255.255.0, а в сети 172.16.0.0 используется стандартная маска 255.255.0.0.

7.2. Формирование подсетей

В ряде случаев для удобства управления администратор может самостоятельно формировать подсети внутри выделенного ему адресного пространства. Например, администратору выделен адрес сети 198.11.163.0 класса С, и ему необходимо создать 10 компьютерных подсетей по 14 узлов. Для адресации 10 подсетей потребуется 4 разряда адреса. Таким образом, маска должна иметь единицы в 28 старших двоичных разрядах и 4 нуля в младших – 11111111.11111111.11111111.11110000, т. е. маска будет 255.255.255.240. В этом случае максимально может быть задано 16 подсетей по 14 узлов в каждой (таблица 7.2). Из 16 подсетей администратор использует 10, а оставшиеся 6 использоваться не будут.

Следовательно, если задан адрес 198.11.163.83 с маской 255.255.255.240, то после логического умножения адреса на маску будет получен адрес подсети:

т. е. подсеть 198.11.163.80 сети 198.11.163.0, а номер узла равен 3 (0011).

С помощью маски 255.255.255.224 в адресном пространстве 198.11.163.0/24 можно сформировать 8 подсетей по 30 узлов в каждой, а с помощью маски 255.255.255.248 можно задать 32 подсети по 6 узлов. Используя маски разной длины для создания подсетей, администратор может формировать подсети разного размера в пределах одной автономной системы. Таким образом, маски переменной длины (Variable-Length Subnet Mask – VLSM) позволяют создавать подсети разного размера, гибко задавая границы между полем адреса сети и полем адреса узла. VLSM дают возможность задействовать больше чем одну маску подсети в пределах выделенного адресного пространства сети.

Например, для формирования сетей по 30 узлов в каждой требуется 27 разрядов маски, содержащих единицы, а для создания сети, соединяющей пару маршрутизаторов ("точка-точка"), требуется всего два адреса, т.е. маска должна иметь 30 единиц. Поэтому часть адресного пространства может быть использована для создания сетей по 30 узлов, а незанятые адреса – для формирования пары адресов для связей "точка-точка".

При использовании маски в 30 двоичных разрядов два младших разряда адреса позволяют сформировать 4 адреса, из которых первый нужен для адресации сети, второй и третий – для адресации узлов, а четвертый – в качестве широковещательного адреса.

В примере (рис 7.1, таблица 7.3), адресное пространство 192.168.100.0/27 использовано для создания 8 подсетей по 32 адреса в каждой, т. е. маска имеет единицы в 27 старших двоичных разрядах.

Одна из последних подсетей (подсеть 6) разделена на субподсети. При этом используется маска, содержащая не 27 единиц, а 30 единиц в старших разрядах. Таким образом, за счет применения VLSM может быть сформировано 7 подсетей с числом узлов до 30 и восемь субподсетей с числом узлов 2. Каждая из субподсетей имеет диапазон адресов, используемых для связей "точка-точка". В распределенной составной сети (рис 7.1) – четыре локальных сети (192.168.100.0/27, 192.168.100.32/27, 192.168.100.64/27, 192.168.100.96/27) и три сети "точка-точка".

Таким образом, маски переменной длины VLSM позволяют создавать подсети разного размера. Например, сеть 198.11.163.0/24 может быть разбита на десять подсетей: две подсети по 62 узла в каждой, две подсети по 30 узлов, 2 подсети по 14 узлов и 4 подсети по 6 узлов в каждой (таблица 7.4). Соответственно, маски будут иметь размер: 26 – для первых двух подсетей, 27 – для третьей и четвертой подсетей, 28 – для пятой и шестой, 29 – для четырех последних подсетей. Естественно, что могут быть реализованы и другие варианты деления сети на подсети и субподсети.

Важно помнить, что только неиспользованные подсети могут далее делиться на субподсети. Если какой-то адрес подсети уже задействован, то подсеть на субподсети далее делиться не может.

На рис 7.2 представлен еще один пример формирования пяти подсетей с маской длиной 26 единиц из адреса 172.16.32.0/23:

Одну из подсетей, например 172.16.33.0/26, далее подразделили на субподсети с маской длиной 30 разрядов.

Не все протоколы маршрутизации поддерживают VLSM, например, первая версия протокола RIPv1 не поддерживает маскирование подсетей переменной длины. Маскирование переменной длины VLSM поддерживают протоколы Open Shortest Path First (OSPF), Integrated IS-IS, Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP), протокол второй версии RIP v2, а также статическая маршрутизация.

При проектировании сетей может быть поставлена и обратная задача, когда несколько отдельных адресов необходимо объединить в один общий ( агрегированный ) адрес. Выше было отмечено, что общую часть адреса, представленную старшими разрядами, называют префиксом. В ряде случаев это сокращает число записей в таблице маршрутизации. Например, сети

172.16.14.0 – 10101100.00010000.00001110.00000000 и
172.16.15.0 – 10101100.00010000.00001111.00000000

могут быть агрегированы (объединены) так, чтобы маршрутизаторы использовали только один маршрут для объединенной ( агрегированной ) сети 172.16.14.0/23, поскольку 23 разряда адреса обеих сетей одинаковы.

Тип маршрутизации, применяющий агрегированные адреса, получил название бесклассовой междоменной маршрутизации (Classless Interdomain Routing – CIDR) на основе префикса. Агрегирование маршрутов уменьшает нагрузку на маршрутизаторы.

Ниже рассмотрен следующий пример агрегирования адресов. Группа из четырех подсетей:

192.168.16.0/24 – 11000000.10101000.00010000.00000000
192.168.17.0/24 – 11000000.10101000.00010001.00000000
192.168.18.0/24 – 11000000.10101000.00010010.00000000
192.168.19.0/24 – 11000000.10101000.00010011.00000000

может быть представлена суммарным (агрегированным) адресом

192.168.16.0/22 – 11000000.10101000.00010000.00000000,

поскольку 22 разряда адреса у них одинаковы.

Аналогично группа из других четырех подсетей:

192.168.20.0/24 – 11000000.10101000.00010100.00000000
192.168.21.0/24 – 11000000.10101000.00010101.00000000
192.168.22.0/24 – 11000000.10101000.00010110.00000000
192.168.23.0/24 – 11000000.10101000.00010111.00000000

может быть представлена агрегированным адресом

192.168.20.0/22 – 11000000.10101000.00010100.00000000,

поскольку 22 разряда адреса у них также одинаковы.

Третья группа подсетей:

192.168.24.0/24 – 11000000.10101000.00011000.00000000
192.168.25.0/24 – 11000000.10101000.00011001.00000000
192.168.26.0/24 – 11000000.10101000.00011010.00000000
192.168.27.0/24 – 11000000.10101000.00011011.00000000

может быть представлена агрегированным адресом

192.168.24.0/22 – 11000000.10101000.00011000.00000000,

поскольку у них одинаковы 22 разряда адреса.

Агрегирование приведенных выше адресов иллюстрирует рис 7.3. Вместо адресов четырех подсетей в таблице маршрутизации каждого из маршрутизаторов А, В, С используется адрес только одного (агрегированного) маршрута с префиксом в 22 двоичных разряда. Адреса четырех указанных подсетей имеют общую часть – префикс, который используется как единый совокупный адрес. В маршрутизаторе D можно сформировать агрегированный адрес всех трех групп подсетей. Он будет иметь адрес 192.168.16.0/20, т. е. маска (префикс) содержит 20 единиц в старших разрядах, поскольку все представленные на рис 7.3 адреса имеют двадцать одинаковых старших двоичных разрядов адреса.

Таким образом, итоговый суммарный маршрут трех групп подсетей (рис 7.3) содержит префикс на 20 бит, общий для всех адресов в указанной сети – 192.168.16.0/20 – 11000000.10101000.00010000.00000000. Двадцать старших разрядов адреса (11000000.10101000.0001) используются как единый адрес организации, которая подключается к сети Интернет через маршрутизатор D.

Чтобы функционировала маршрутизация на основе префикса, адреса должны быть назначены иерархическим способом. Маршрутизатор должен знать номера всех присоединенных к нему подсетей и не должен сообщать другим маршрутизаторам о каждой подсети, если он может послать один совокупный маршрут (aggregate routes). Маршрутизатор, который задействует совокупные маршруты, реже обращается к таблице маршрутизации.

Маршрутизация на основе префикса и масок переменной длины возможна, если маршрутизаторы сети используют бесклассовый (classless) протокол маршрутизации, например OSPF или EIGRP. Бесклассовые протоколы маршрутизации передают в обновлениях маршрутизации (routing updates) 32-разрядные IP-адреса и соответствующие маски.

7.3. Частные и общедоступные адреса

Адреса всех пользователей сети Internet должны быть уникальными. Первоначально уникальность адресов обеспечивал центр Internet Network Information Center (InterNIC), на смену которому пришла организация Internet Assigned Numbers Authority (IANA). IANA управляет IP-адресами, чтобы не произошло дублирования общедоступных адресов, распределяя их между пятью Региональными регистраторами адресов: ARIN (Северная Америка), RIPE (Россия и Европа), APNIC (Азия и Австралия), LACNIC (Латинская и Южная Америка), AfriNIC (Африка). Таким образом, все общественные (общедоступные) адреса должны быть зарегистрированы Региональным Интернет-Регистратором (Regional Internet Regiestry – RIR), который выделяет адреса провайдерам, а те, в свою очередь, выделяют адреса сетевым администраторам и отдельным пользователям.

В связи с быстрым ростом Internet имеется дефицит общественных адресов. Радикально решить проблему дефицита IP-адресов может созданная новая шестая версия ( IPv6 ) адресации в IP-сетях. Для смягчения проблемы нехватки общественных адресов были разработаны новые схемы адресации, такие как бесклассовая междоменная маршрутизация (CIDR) и адресация на основе масок переменной длины (VLSM).

Кроме того, проблему нехватки общественных адресов может в некоторой мере ослабить использование частных адресов (Private IP addresses). Сети с частными адресами, не подключенные к Internet, могут иметь любые адреса, лишь бы они были уникальны внутри частной сети. Выход в Интернет пакетов с частными адресами блокируется маршрутизатором. Документ RFC 1918 устанавливает три блока частных адресов для использования внутри частных сетей (таблица 7.5).

Таким образом, данные адреса не могут быть применены непосредственно в сети Интернет, т. к. маршрутизаторы отбрасывают пакеты с частными адресами. Чтобы узлы с частными адресами могли при необходимости подключаться к Интернету, используются специальные трансляторы частных адресов в общественные, например транслятор сетевых адресов (Network Address Translation – NAT). Данный транслятор переводит один частный адрес в один общественный. Поэтому экономия IP-адресов может быть достигнута только за счет того, что не всем узлам частной сети разрешается выход в Интернет.

Второй тип транслятора – Port Address Translation (PAT) – один общедоступный адрес комбинирует с набором номеров порта узла источника. При этом один IP-адрес могут использовать сразу несколько узлов частной сети. Поэтому данный метод трансляции частных адресов в общественные эффективно экономит общедоступные IP-адреса.

7.4. Адреса версии IPv6

В настоящее время наблюдается дефицит адресов в связи с ростом числа пользователей Интернета, бурным развитием сетей мобильной связи, предоставляющих услуги передачи данных, использованием сетевых технологий для управления технологическими процессами и бытовой техникой. 32 двоичных разряда адреса версии IPv4 обеспечивают примерно 4 миллиарда адресов. Все эти адреса, по прогнозам, должны были заняты к 2012 году, что должно было привести к проблеме, названной "Проблемой 2012 г. в сети Интернет". Для снижения остроты дефицита в локальных сетях используются частные адреса, разработаны трансляторы NAT и PAT, применяются маски переменной длины и адресация на основе префикса. Однако эти меры лишь предоставляли отсрочку полному истощению адресов версии IPv4.

Кардинальным решением данной проблемы является разработка и внедрение адресации версии IPv6. Версия IPv6 использует для адресации 128 двоичных разрядов, что обеспечивает адресацию 3,4 10 ³⁸ объектов, вместо 32 разрядов версии IPv4, обеспечивающей адресацию 4,3 10 ⁹ объектов. Со временем версия IPv6 заменит IPv4 в качестве основного сетевого протокола Internet.

2af9:0000:7ee5:d947:0009:01c5:6b9f:00c4.

Для облегчения чтения впереди стоящие нули могут быть пропущены. При этом вышеприведенный адрес будет записан в виде

2af9:0:7ee5:d947:9:1c5:6b9f:c4.

Если в адресе имеется длинная последовательность нулей, например,

2af9:0:7ee5:0:0:0:6b9f:c4,

то запись можно сократить путем использования двух двоеточий подряд

2af9:0:7ee5::6b9f:c4.

Два двоеточия подряд в адресе могут быть использованы только один раз.

Таким образом, адрес 2af9:0:0:0:0:0:0f:c4 может быть представлен как 2af9::f:c4.

Младшие разряды адреса нижнего уровня иерархии используются для задания номера узла (идентификатор интерфейса), а старшие разряды – для задания префикса адреса (номера сети, подсети).

Старшие разряды адреса образуют несколько полей. Формат адреса IPv6 приведен ниже.

Идентификатор интерфейса задает адрес узла (интерфейса) в определенной сети. Длина идентификатора интерфейса составляет 64 младших бита адреса (четыре младших блока из четырех шестнадцатеричных чисел). Это позволяет в поле идентификатора интерфейса размещать адреса конечных узлов различных сетевых технологий, например физический МАС-адрес длиной 48 бит. При этом идентификаторы интерфейса могут быть динамически получены из адреса Уровня 2. Поэтому отпадает необходимость в протоколе ARP, что ускоряет процесс продвижения пакета через маршрутизатор. В этом поле вместо МАС-адресов могут также задаваться адреса других сетей и протоколов, например АТМ-адреса, номера телефонов международной и междугородной связи, номера мобильных телефонов, а также адреса IPv4.

Поле префикса формата (FP – Format Prefix) версии IPv6 имеет размер 3 бита и значение в двоичном коде 001. Поэтому адреса версии IPv6 будут начинаться либо с шестнадцатеричной цифры 2 (0010), либо 3 (0011).

Поле агрегирования верхнего уровня (TLA – Top-Level Aggregation) задает адреса сетей пяти основных регистраторов Европы, Азии, Северной Америки, Южной Америки и Африки (ARIN, RIPE, APNIC, LACNIC, AfriNIC). 13 разрядов этого поля позволяет адресовать 8196 сетей. Поле префикса формата FP и поле агрегирования верхнего уровня TLA составляют 16 старших бит адреса IPv6, они выделяются и управляются организацией IANA и пятью основными регистраторами адресов. Для возможности расширения этого поля в будущем зарезервировано еще 8 разрядов. С учетом префикса формата (001) первая сеть IPv6 будет иметь номер 2001.

Поле агрегирования следующего уровня (NLA – Next-Level Aggregation) адресует сети мелких и средних провайдеров. 24 разряда этого поля позволяют адресовать примерно 16 миллионов сетей.

Поле местного уровня (SLA – Site-Level Aggregation) используется для адресации подсетей пользователя. Таким образом, в распоряжении сетевого администратора имеется 16 двоичных разрядов поля номера подсетей, что позволяет организации задействовать до 65 535 отдельных подсетей.

Кроме формата (табл. 7.6) для описания адреса IPv6 применяется также формат (рис 7.5), где 48 старших бита адреса образуют префикс сайта (Site Prefix), из которых 32 старших образуют префикс провайдера (ISP Prefix).

В поле идентификатора интерфейса кроме МАС-адресов, АТМ- адресов, телефонных номеров, могут задаваться адреса IPv4, что обеспечивает совместимость с ранее разработанными сетевыми технологиями. Для преобразования адреса IPv6 в адрес IPv4 разработан подтип адреса, в котором 4 младших байта содержат адрес предыдущей версии IPv4, а старшие 12 байт содержат нули. При преобразовании адреса IPv4 в адрес IPv6 младшие 4 байта содержат адрес версии IPv4, байты 5 и 6 содержат единицы, а старшие 10 байт содержат нули.

На период перехода от IPv4 к IPv6 разработано несколько механизмов. Например, механизм двойного стека, когда маршрутизаторы, коммутаторы и конечные узлы конфигурируются, чтобы поддерживать оба протокола, причем IPv6 является привилегированным. То есть на интерфейсах устройств конфигурируется два стека протоколов. Устройство с двойным стеком определяет, какой стек использовать, базируясь на адресе назначения пакета, отдавая предпочтение IPv6, когда это возможно.

Краткие итоги

Вопросы

Упражнения