Канальный уровень сетевой модели OSI

5.3. Адресация в локальных сетях

Адресация в локальных сетях реализуется на основе МАС-адресов. Адресация может быть одноадресная (unicast), многоадресная (multicast), широковещательная (broadcast). В одноадресном режиме узел-источник, например, с IP-адресом 192.168.10.11 передает данные только одному узлу с IP-адресом 192.168.10.22 ( рис. 5.7).

Рис. 5.7. Одноадресный режим передачи данных

При этом передаваемый по локальной сети кадр ( рис. 5.8) содержит в своем заголовке МАС-адреса назначения и источника.

Рис. 5.8. Кадр одноадресной рассылки

В многоадресном режиме (групповая адресация) IP-адреса задаются из диапазона 224.0.0.0 - 239.255.255.255. Так узел-источник, с IP-адресом 192.168.10.11 передает данные тем узлам, которые имеют групповой адрес, например, 224.0.0.202 ( рис. 5.9, рис. 5.10).

Рис. 5.9. Кадр многоадресной рассылки

Рис. 5.10. Многоадресный режим передачи данных

Групповым IP-адресам соответствуют МАС-адреса, начинающиеся с 01-00-5Е. Младшие разряды МАС-адреса формируются из младших разрядов IP-адреса. Например, IP-адресу 224.0.0.202 соответствует групповой МАС-адрес 01-00-5Е-00-00-СА.

В широковещательном режиме узел-источник, например, с IP-адресом 192.168.10.11 передает данные всем узлам локальной сети по адресу 192.168.10.255 ( рис. 5.11, рис. 5.12). Широковещательный МАС-адрес назначения FF-FF-FF-FF-FF-FF содержит 48 двоичных единиц.

Рис. 5.11. Кадр широковещательной рассылки

Рис. 5.12. Широковещательный режим передачи данных

5.4. Протокол ARP

В локальных сетях телекоммуникаций устройствам необходимы как физический МАС-адрес, так и логический IP-адрес, которые однозначно адресуют любое устройство в сети, образуя соответствующую пару. Указанные пары МАС- и IP-адресов узлов локальной сети (называемые также сопоставлениями) хранятся в таблице протокола разрешения адресов (Address Resolution Protocol - ARP). Протокол ARP входит в стек протоколов TCP/IP и реализует процесс нахождения МАС-адреса по известному сетевому IP-адресу.

На каждом конечном узле можно посмотреть его физический адрес и IP-адрес по команде ipconfig или ipconfig /all ( рис. 5.13).

Рис. 5.13. Результат выполнения команды ipconfig /all

Из распечатки следует, что физическим МАС-адресом конечного узла является 00-19-D1-93-7E-BE, а логическим IP-адресом - 10.0.118.52.

Протокол ARP может по IP-адресу определить МАС-адрес устройства. Каждое устройство в сети поддерживает таблицу ARP, которая содержит соответствующие MAC и IP адреса других устройств той же локальной сети. Таблица ARP любого узла может быть просмотрена по команде arp -a ( рис. 5.14). Записи таблицы хранятся в памяти RAM, где динамически поддерживаются. Если узлы долго не передают данные, то соответствующие записи из таблицы удаляются, что представлено на рис. 5.14, где таблица содержит только одну пару IP и MAC адресов.

Рис. 5.14. Таблица ARP

Таблица ARP пополняется динамически путем контроля трафика локального сегмента сети. Все узлы локальной сети Ethernet анализируют трафик, чтобы определить, предназначены ли данные для них. При этом IP и MAC-адреса источников дейтаграмм записываются в таблице ARP. Например, после общения с узлом 10.0.118.65 в таблице ARP появляется дополнительная, по сравнению с рис. 5.14, запись ( рис. 5.15).

Рис. 5.15. Изменения в таблице ARP

Для проверки записей ARP-таблицы маршрутизатора используется команда show ip arp. Когда устройство передает пакет по IP-адресу назначения, оно проверяет, имеется ли в ARP-таблице соответствующий МАС-адрес назначения. Если соответствующая запись имеется, то она используется при инкапсуляции пакета в кадр данных. Данные передаются по сетевой среде, устройство назначения принимает их.

Если узел не находит соответствующей записи в таблице ARP, то он для получения MAC-адреса назначения посылает в локальную сеть широковещательный ARP-запрос, в котором задается сетевой логический IP-адрес устройства назначения. Все другие устройства сети анализируют его. Если у одного из устройств локальной сети IP-адрес совпадает с запрашиваемым, то устройство посылает ARP-ответ, который содержит пару IP и MAC адресов. Эта пара IP и MAC адресов записывается в ARP-таблице. Если в локальной сети нет запрашиваемого IP-адреса, то устройство источник сообщает об ошибке.

Когда данные передаются за пределы локальной сети, то для передачи сообщения необходимы IP и MAC-адреса как устройства назначения, так и МАС-адреса промежуточных маршрутизирующих устройств. Поскольку маршрутизаторы не транслируют широковещательные запросы в другие сегменты сети, то в этом случае маршрутизатор в ответ на запрос посылает ARP-ответ с MAC-адресом своего входного интерфейса, на который поступил запрос. Таким образом, сформированный конечным устройством кадр поступит на входной интерфейс маршрутизатора, который после анализа адреса сети назначения и обращения к таблице маршрутизации продвинет пакет на выходной интерфейс.

Входной интерфейс маршрутизатора, через который узлы локальной сети могут передавать сообщения в удаленные сети, получил название шлюз. IP-адрес входного интерфейса маршрутизатора на пути к устройству назначения (шлюз по умолчанию - Default Gateway) обычно конфигурируется на всех конечных узлах (хостах). Источник сообщения сравнивает IP-адрес назначения со своим IP-адресом и определяет, находятся ли эти адреса в одном сегменте сети или в разных сегментах. Если они находятся в разных сегментах, то данные будут переданы только при условии, что установлен шлюз по умолчанию.

Таким образом, при передаче данных по сети узел для нахождения МАС-адреса назначения посылает в сеть широковещательный ARP запрос, в котором задается IP-адрес устройства назначения, на который в ответ получает: либо МАС-адрес узла назначения из той же локальной сети, либо МАС-адрес входного интерфейса маршрутизатора (шлюза по умолчанию), если адресат находится в удаленной сети.

При передаче по сети IP-адреса источника и назначения остаются неизменными на всем пути следования пакета. При поступлении в маршрутизатор из кадра извлекается пакет, определяется на какой выходной интерфейс необходимо его передать (продвинуть). На выходном интерфейсе формируется новый кадр, в котором задаются новые МАС-адреса источника и назначения. То есть, МАС-адреса изменяются в каждом маршрутизаторе.

В крупных сетях широковещательные ARP-запросы могут приводить к перегрузке сети. Кроме того, широковещательные запросы легко перехватывают хакеры, получая информацию об IP- и МАС-адресах сети. Поэтому для сокращения широковещательных ARP-запросов администратор может создавать записи в таблице ARP статически. Статические записи динамически не удаляются, удалить их может только сам администратор.