Протокол TCP/IP, служба DNS

4.1 Основы функционирования протокола TCP/IP (IP-адрес, маска подсети, основной шлюз; деление на подсети с помощью маски подсети; введение в IP-маршрутизацию).

Адресация узлов в IP-сетях

В сетях TCP/IP принято различать адреса сетевых узлов трех уровней

• физический (или локальный) адрес узла (МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора); эти адреса назначаются производителями сетевого оборудования;
• IP-адрес узла (например, 192.168.0.1 ), данные адреса назначаются сетевыми администраторами или Интернет-провайдерами;
• символьное имя (например, www.microsoft.com); эти имена также назначаются сетевыми администраторами компаний или Интернет-провайдерами.

Рассмотрим подробнее IP-адресацию.

Компьютеры или другие сложные сетевые устройства, подсоединенные к нескольким физическим сетям, имеют несколько IP-адресов — по одному на каждый сетевой интерфейс. Схема адресации позволяет проводить единичную, широковещательную и групповую адресацию. Таким образом, выделяют 3 типа IP-адресов.

1. Unicast-адрес (единичная адресация конкретному узлу) — используется в коммуникациях "один-к-одному".
2. Broadcast-адрес (широковещательный адрес, относящийся ко всем адресам подсети) — используется в коммуникациях "один-ко-всем". В этих адресах поле идентификатора устройства заполнено единицами. IP-адресация допускает широковещательную передачу, но не гарантирует ее — эта возможность зависит от конкретной физической сети. Например, в сетях Ethernet широковещательная передача выполняется с той же эффективностью, что и обычная передача данных, но есть сети, которые вообще не поддерживают такой тип передачи или поддерживают весьма ограничено.
3. Multicast-адрес (групповой адрес для многоадресной отправки пакетов) — используется в коммуникациях "один-ко-многим". Поддержка групповой адресации используется во многих приложениях, например, приложениях интерактивных конференций. Для групповой передачи рабочие станции и маршрутизаторы используют протокол IGMP, который предоставляет информацию о принадлежности устройств определенным группам.

Unicast-адреса.

Каждый сетевой интерфейс на каждом узле сети должен иметь уникальный unicast-адрес. IP-адрес имеет длину 4 байта (или 32 бита). Для удобства чтения адресов 32-битные числа разбивают на октеты по 8 бит, каждый октет переводят в десятичную систему счисления и при записи разделяют точками. Например, IP-адрес 11000000101010000000000000000001 записывается как 192.168.0.1.

IP-адрес состоит из двух частей — идентификатор сети (префикс сети, Network ID) и идентификатор узла (номер устройства, Host ID). Такая схема приводит к двухуровневой адресной иерархии. Структура IP-адреса изображена на рис. 4.1.

Рис. 4.1.

Идентификатор сети идентифицирует все узлы, расположенные на одном физическом или логическом сегменте сети, ограниченном IP-маршрутизаторами. Все узлы, находящиеся в одном сегменте должны иметь одинаковый идентификатор сети.

Идентификатор узла идентифицирует конкретный сетевой узел (сетевой адаптер рабочей станции или сервера, порт маршрутизатора). Идентификатор узла должен быть уникален для каждого узла внутри IP-сети, имеющей один идентификатор сети.

Таким образом, в целом IP-адрес будет уникален для каждого сетевого интерфейса всей сети TCP/IP.

Соотношение между идентификатором сети и идентификатором узла в IP-адресе определяется с помощью маски подсети (Network mask), которая имеет длину также 4 байта и также записывается в десятичной форме по 4 октета, разделенных точками. Старшие биты маски подсети, состоящие из 1, определяют, какие разряды IP-адреса относятся к идентификатору сети. Младшие биты маски, состоящие из 0, определяют, какие разряды IP-адреса относятся к идентификатору узла.

IP-адрес и маска подсети — минимальный набор параметров для конфигурирования протокола TCP/IP на сетевом узле.

Для обеспечения гибкости в присваивании адресов компьютерным сетям разработчики протокола определили, что адресное пространство IP должно быть разделено на три различных класса — А, В и С.

В дополнение к этим трем классам выделяют еще два класса. D — этот класс используется для групповой передачи данных. Е — класс, зарезервированный для проведения экспериментов.

IP-адреса класса А.

Старший бит любого IP-адреса в сети класса А всегда равен 0. Идентификатор сети состоит из 8 бит, идентификатор узла — 24 бита. Маска подсети для узлов сетей класса A — 255.0.0.0. Структура IP-адресов класса А приведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2.

IP-адреса класса B.

Два старших бита любого IP-адреса в сети класса B всегда равны 10. Идентификатор сети состоит из 16 бит, идентификатор узла — 16 бит. Маска подсети для узлов сетей класса B — 255.255.0.0. Структура IP-адресов класса B приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3.

IP-адреса класса C.

Три старших разряда любого IP-адреса в сети класса C всегда равны 110. Идентификатор сети состоит из 24 разрядов, идентификатор узла — из 8 разрядов. Маска подсети для узлов сетей класса C — 255.255.255.0. Структура IP-адресов класса C приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4.

Класс D

IP-адреса класса D используются для групповых адресов (multicast-адреса). Четыре старших разряда любого IP-адреса в сети класса D всегда равны 1110. Оставшиеся 28 бит используются для назначения группового адреса.

Класс E

Пять старших разрядов любого IP-адреса в сети класса E равны 11110. Адреса данного класса зарезервированы для будущего использования (и не поддерживаются системой Windows Server).

Правила назначения идентификаторов сети (Network ID)

• первый октет идентификатора сети не может быть равен 127 (адреса вида 127.x.y.z предназначены для отправки узлом пакетов самому себе и используются как правило для отладки сетевых приложений, такие адреса называются loopback-адресами, или адресами обратной связи);
• все разряды идентификатора сети не могут состоять из одних 1 (IP-адреса, все биты идентификаторов сети которых установлены в 1, используются при широковещательной передаче информации);
• все разряды идентификатора сети не могут состоять из одних 0 (в IP-адресах все биты, установленные в ноль, соответствуют либо данному устройству, либо данной сети);
• идентификатор каждой конкретной сети должен быть уникальным среди подсетей, объединенных в одну сеть с помощью маршрутизаторов.

Диапазоны возможных идентификаторов сети приведены в табл. 4.1.

Правила назначения идентификаторов узла (Host ID)

• все разряды идентификатора узла не могут состоять из одних 1 (идентификатор узла, состоящий из одних 1, используется для широковещательных адресов, или broadcast-адресов);
• все разряды идентификатора узла не могут состоять из одних 0 (если разряды идентификатора узла равны 0, то такой адрес обозначает всю подсеть, например, адрес 192.168.1.0 с маской подсети 255.255.255.0 обозначает всю подсеть с идентификатором сети 192.168.1 ;
• идентификатор узла должен быть уникальным среди узлов одной подсети.

Диапазоны возможных идентификаторов узла приведены в табл. 4.2.

Другим способом обозначения сети, более удобным и более кратким, является обозначение сети с сетевым префиксом. Такое обозначение имеет вид "/число бит маски подсети". Например, подсеть 192.168.1.0 с маской подсети 255.255.255.0 можно более кратко записать в виде 192.168.1.0/24, где число 24 длина маски подсети в битах.

Публичные и приватные (частные) IP-адреса

Все пространство IP-адресов разделено на 2 части: публичные адреса, которые распределяются между Интернет-провайдерами и компаниями международной организацией Internet Assigned Numbers Authority (сокращенно IANA), и приватные адреса, которые не контролируются IANA и могут назначаться внутрикорпоративным узлам по усмотрению сетевых администраторов. Если какая-либо компания приобрела IP-адреса в публичной сети, то ее сетевые узлы могут напрямую маршрутизировать сетевой трафик в сеть Интернет и могут быть прозрачно доступны из Интернета. Если внутрикорпоративные узлы имеют адреса из приватной сети, то они могут получать доступ в Интернет с помощью протокола трансляции сетевых адресов (NAT, Network Address Translation) или с помощью прокси-сервера. В простейшем случае с помощью NAT возможно организовать работу всей компании с использованием единственного зарегистрированного IP-адреса.

Механизм трансляции адресов NAT преобразует IP-адреса из частного адресного пространства IP (эти адреса еще называют "внутренние", или "серые IP") в зарегистрированное открытое адресное пространство IP. Обычно эти функции (NAT) выполняет либо маршрутизатор, либо межсетевой экран (firewall) — эти устройства подменяют адреса в заголовках проходящих через них IP-пакетов.

На практике обычно компании получают через Интернет-провайдеров небольшие сети в пространстве публичных адресов для размещения своих внешних ресурсов — web-сайтов или почтовых серверов. А для внутрикорпоративных узлов используют приватные IP-сети.

Пространство приватных IP-адресов состоит из трех блоков:

• 10.0.0.0/8 (одна сеть класса A);
• 172.16.0.0/12 (диапазон адресов, состоящий из 16 сетей класса B — от 172.16.0.0/16 до 172.31.0.0/16 );
• 192.168.0.0/16 (диапазон адресов, состоящий из 256 сетей класса C — от 192.168.0.0/24 до 192.168.255.0/16 ).

Кроме данных трех блоков имеется еще блок адресов, используемых для автоматической IP-адресации (APIPA, Automatic Private IP Addressing). Автоматическая IP-адресация применяется в том случае, когда сетевой интерфейс настраивается для автоматической настройки IP-конфигурации, но при этом в сети отсутствует сервер DHCP. Диапазон адресов для APIPA — сеть класса B 169.254.0.0/16.