Адресация в IP-сетях

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).

Рис. 7.4. Уровни иерархии адреса IPv6

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).

Рис. 7.5. Префиксы формата адреса IPv6

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

1. Логические адреса задаются администратором или назначаются динамически протоколом DHCP из диапазона выделенных адресов.
2. Логические адреса узлов в IP-сетях версии IPv4 содержат 32 двоичных разряда, версии IPv6 – 128 двоичных разряда.
3. IP-адреса являются иерархическими. Старшие разряды определяют номер сети, а младшие разряды – номер узла в сети.
4. Существует адресация на основе классов и бесклассовая адресация.
5. Адрес 127.0.0.1 предназначен для самотестирования, когда проверяют, установлен ли протокол TCP/IP на хосте.
6. В таблице маршрутизации задаются адреса сетей для сокращения записей, которыми оперирует маршрутизатор.
7. Адрес сети маршрутизатор получает путем логического умножения сетевого адреса узла на маску.
8. Общая часть адреса называется префиксом.
9. В маршрутизаторах используют как адресацию на основе стандартных масок, так и адресацию с масками переменной длины.
10. Маски переменной длины позволяют создавать подсети разного размера.
11. Агрегированный адрес получается путем объединения адресов в один общий.
12. Радикально решить проблему дефицита IP-адресов может новая шестая версия (IPv6) адресации в IP-сетях.
13. Сети с частными адресами, не подключенные к Internet, могут иметь любые адреса, лишь бы они были уникальны внутри частной сети.
14. Пакеты с частными адресами блокируются маршрутизатором.
15. Трансляторы сетевых адресов переводят частные адреса в общественные.
16. Кардинальным решением проблемы нехватки логических адресов является разработка и внедрение адресации версии IPv6, которая использует для адресации 128 двоичных разрядов.
17. Адреса версии IPv6 представлены в виде 8 блоков по четыре шестнадцатеричных числа. Блоки разделяются двоеточием.
18. Формат адреса IPv6 можно представить в виде поля идентификатора интерфейса (младшие 64 бита, которые задают адрес узла) и полей префиксов подсети, сайта и провайдера (старшие 64 бита).

Вопросы

1. Кто назначает логические адреса интерфейсам и конечным узлам сети?
2. Сколько двоичных разрядов содержат логические адреса узлов в IP-сетях версии IPv4?
3. Что определяют старшие и младшие разряды сетевого адреса?
4. Какие классы уникальных адресов используются в сетях?
5. Какие размеры имеют стандартные маски адресов классов А, В, С?
6. Какое максимальное число узлов могут задавать адреса класса С?
7. Какой адрес используется для самотестирования?
8. Какие параметры задаются в таблицах маршрутизации?
9. Для чего нужны сетевые маски?
10. Как называется общая часть адреса нескольких устройств?
11. Для чего необходимы маски переменной длины?
12. Что позволит радикально решить проблему дефицита IP-адресов?
13. Сколько двоичных разрядов содержат логические адреса узлов в IP-сетях версии IPv6?
14. Как представлены адреса версии IPv6?
15. Для чего используются частные адреса в локальных сетях?
16. Каковы диапазоны частных адресов?
17. Можно ли использовать частные адреса в сети Интернет?
18. Что переводит частные адреса в общественные?

Упражнения

1. Приведите примеры адресов конечных узлов классов А, В, С. Используя стандартные маски, рассчитайте адреса соответствующих сетей.
2. Переведите адреса 10.169.77.19, 172.18.190.59 и 192.168.55.112 в двоичную систему.
3. Рассчитайте максимальное количество хостов в подсетях 10.169.77.16/28, 172.18.190.16/27 и 192.168.55.112/29.
4. Для выделенного диапазона адресов 172.16.10.0/24 сформируйте 10 подсетей по 8-14 компьютеров в каждой. Какова будет сетевая маска?
5. Для выделенного адреса 10.1.5.0/24 сформируйте 2 подсети по 50-60 компьютеров, 2 подсети по 25-30 компьютеров, 2 подсети по 10-12 компьютеров, 2 подсети по 5 – 6 компьютеров, остальные адреса используйте для адресации соединений "точка-точка".
6. Каким агрегированным адресом может быть представлена группа из четырех подсетей: 172.16.16.0/24, 172.16.17.0/24, 172.16.18.0/24, 172.16.19.0/24?