Електронний посібник

Лекція № 12

Тема: Типи адрес у мережах TCP/IP. IP адресація в мережах TCP/IP: форми запису IP -адреси

Мета: ознайомитися з фізичними (MAC-адреса), мережними (IP-адреса), символьними (DNS-ім'я) адресами та формами запису IP -адреси

План

1 Типи адрес: фізичний (MAC-адреса), мережевий (IP-адреса) і символьний (DNS-ім'я).

2 Три основні класи IP-адрес.

3 Угоди про спеціальні адреси: broadcast, multicast, loopback.

4 Відображення фізичних адрес на IP-адреси: протоколи ARP і RARP.

5 Автоматизація процесу призначення IP-адрес вузлів мережі - протокол DHCP.

Лекційний матеріал

Типи адрес: фізичний (MAC-адреса), мережевий (IP-адреса) і символьний (DNS-ім'я).

Кожен комп'ютер в мережі TCP / IP має адреси трьох рівнів:

Номер вузла в протоколі IP призначається незалежно від локальної адреси вузла. Ділення IP-адреси на поле номера мережі й номера вузла - гнучке, і границя між цими полями може встановлюватися досить довільно. Вузол може входити в кілька IP-мереж. У цьому випадку вузол повинен мати кілька IP-адрес, по числу мережних зв'язків. Таким чином IP-адреса характеризує не окремий комп'ютер або маршрутизатор, а одне мережне з'єднання.

Три основні класи IP-адрес

IP-адреса має довжину 4 байти і звичайно записується у вигляді чотирьох чисел, що представляють значення кожного байта в десятковій формі, і розділених крапками, наприклад:

128.10.2.30 - традиційна десяткова форма представлення адреси,


10000000 00001010 00000010 00011110 - двійкова форма представлення цього ж адреси.


На рис.1 показана структура IP-адреси.


Клас А

0

N мережі

N вузла


Клас В

1

0

N мережі

N вузла


Клас С

1

1

0

N мережі

N вузла


Клас D

1

1

1

0

N мережі

N вузла


Клас Е 1 1 1 1 0 зарезервований

1

1

1

1

0

N мережі

N вузла


Рис. 3.1. Структура IР-адреси


Адреса складається з двох логічних частин - номера мережі й номера вузла в мережі. Яка частина адреси відноситься до номера мережі, а яка до номера вузла, визначається значеннями перших бітів адреси:


У таблиці наведено діапазони номерів мереж, відповідних кожному класу мереж.

Клас

Найменший адресу

Найбільший адресу


A

01.0.0

126.0.0.0

B

128.0.0.0

191.255.0.0

C

192.0.1.0

223.255.255.0

D

224.0.0.0

239.255.255.255

E

240.0.0.0

247.255.255.255



Угоди про спеціальні адреси: broadcast, multicast, loopback


У протоколі IP існує кілька угод про особливу інтерпретації IP-адрес:


0 0 0 0 ................................... 0 0 0 0


то він позначає адресу того вузла, який згенерував цей пакет;


0 0 0 0 ....... 0

Номер вузла


то за замовчуванням вважається, що цей вузол належить тій же самій мережі, що й вузол, що відправив пакет;


1111…………………11


то пакет з такою адресою призначення повинен розсилатися всім вузлам, що перебувають у тій же мережі, що й джерело цього пакета. Така розсилка називається обмеженим широкомовним повідомленням (limited broadcast);

Номер мережі

1111 ................ 11


то пакет, що має таку адресу розсилається всім вузлам мережі із заданим номером.

Така розсилка називається широкомовним повідомленням (broadcast);

адреса 127.0.0.1 зарезервований для організації зворотного зв'язку при тестуванні роботи програмного забезпечення вузла без реального відправлення пакета по мережі. Ця адреса має назва loopback.

Вже згадувана форма групового IP-адреси - multicast - означає, що даний пакет повинен бути доставлений відразу декільком вузлам, які утворюють групу з номером, зазначеним у поле адреси. Вузли самі ідентифікують себе, тобто визначають, до якої з груп вони відносяться. Один і той же вузол може входити в кілька груп. Такі повідомлення на відміну від широкомовних називаються мультівещательнимі. Груповий адреса не ділиться на поля номера мережі й вузла й обробляється маршрутизатором особливим чином.

У протоколі IP немає поняття широкомовного в тому сенсі, в якому воно використовується в протоколах канального рівня локальних мереж, коли дані повинні бути доставлені абсолютно усіх вузлів. Як обмежений широкомовний IP-адресу, так і широкомовна IP-адреса мають межі розповсюдження в інтермережі - вони обмежені або мережею, до якої належить вузол - джерело пакета, або мережею, номер якої вказаний у адресі призначення. Тому поділ мережі за допомогою маршрутизаторів на частини локалізує широкомовний шторм межами однієї зі складових загальну мережу частин просто тому, що немає способу адресувати пакет одночасно всім вузлам всіх мереж складовою мережі.


Відображення фізичних адрес на IP-адреси: протоколи ARP і RARP


У протоколі IP-адресу сайту, тобто адреса комп'ютера або порту маршрутизатора, призначається довільно адміністратором мережі й прямо не пов'язаний з його локальною адресою, як це зроблено, наприклад, у протоколі IPX. Підхід, використовуваний в IP, зручно використовувати у великих мережах і через його незалежності від формату локальної адреси, і через стабільності, тому що в противному випадку, при зміні на комп'ютері мережного адаптера ця зміна повинні б були враховувати всі адресати всесвітньої мережі Internet ( в тому випадку, звичайно, якщо мережа підключена до Internet'у).

Локальний адреса використовується в протоколі IP тільки в межах локальної мережі при обміні даними між маршрутизатором і вузлом цієї мережі. Маршрутизатор, одержавши пакет для вузла однієї з мереж, безпосередньо підключених до його портів, повинен для передачі пакета сформувати кадр відповідно до вимог прийнятої в цій мережі технології і вказати в ньому локальна адреса вузла, наприклад його МАС-адресу. У прийшов пакеті ця адреса не вказано, тому перед маршрутизатором встає задача пошуку його по відомому IP-адресою, яка зазначена в пакеті як адреси призначення. З аналогічною задачею зіштовхується й кінцевий вузол, коли він хоче відправити пакет у вилучену мережу через маршрутизатор, підключений до тієї ж локальної мережі, що і цей вузол.

Для визначення локальної адреси по IP-адресою використовується протокол дозволу адреси Address Resolution Protocol, ARP. Протокол ARP працює різним образом залежно від того, який протокол канального рівня працює в даній мережі - протокол локальної мережі (Ethernet, Token Ring, FDDI) з можливістю широкомовного доступу одночасно до всіх вузлів мережі, або ж протокол глобальної мережі (X.25, frame relay), як правило не підтримуючий широкомовний доступ. Існує також протокол, що вирішує зворотну задачу - знаходження IP-адреси за відомим локального адресою. Він називається реверсивний ARP - RARP (Reverse Address Resolution Protocol) і використовується при старті бездискових станцій, що не знають у початковий момент свого IP-адреси, але знаючих адресу свого мережного адаптера.

У локальних мережах протокол ARP використовує широкомовні кадри протоколу канального рівня для пошуку в мережі вузла із заданим IP-адресою.

Вузол, якому потрібно виконати відображення IP-адреси на локальну адресу, формує ARP запит, вкладає його в кадр протоколу канального рівня, указуючи в ньому відомий IP-адресу, і розсилає запит широкомовно. Всі вузли локальної мережі одержують ARP запит і порівнюють зазначений там IP-адресу із власним. У разі їх збігу вузол формує ARP-відповідь, в якій вказує свій IP-адресу і свій локальний адресу і відправляє його вже направлено, тому що в ARP запиті відправник зазначає свою локальну адресу. ARP-запити і відповіді використовують один і той же формат пакета. Так як локальні адреси можуть у різних типах мереж мати різну довжину, то формат пакета протоколу ARP залежить від типу мережі. На малюнку 3.2 показаний формат пакета протоколу ARP для передачі по мережі Ethernet.


Тип мережі

Тип протоколу

Довжина локальної адреси

Довжина мережевої адреси

Операція

Локальний адресу відправника (байти 0 - 3)

Локальний адресу відправника (байти 4 - 5)

IP-адреса відправника (байти 0-1)

IP-адреса відправника (байти 2-3)

Бажаємий локальну адресу (байти 0 - 1)

Бажаємий локальну адресу (байти 2-5)

Бажаємий IP-адреса (байти 0 - 3)


Рис. 3.2. Формат пакета протоколу ARP


У полі типу мережі для мереж Ethernet вказується значення 1. Поле типу протоколу дозволяє використовувати пакети ARP не тільки для протоколу IP, але і для інших мережевих протоколів. Для IP значення цього поля дорівнює 080016.

Довжина локальної адреси для протоколу Ethernet дорівнює 6 байтам, а довжина IP-адреси - 4 байтам. У полі операції для ARP запитів вказується значення 1 для протоколу ARP і 2 для протоколу RARP.

Вузол, що відправляє ARP-запит, заповнює в пакеті всі поля, крім поля шуканого локальної адреси (для RARP-запиту не вказується шуканий IP-адресу). Значення цього поля заповнюється вузлом, упізнав свою IP-адресу.

У глобальних мережах адміністратора мережі найчастіше доводиться вручну формувати ARP-таблиці, в яких він задає, наприклад, відповідність IP-адреси адресою вузла мережі X.25, який має сенс локальної адреси. Останнім часом намітилася тенденція автоматизації роботи протоколу ARP і в глобальних мережах. Для цієї мети серед всіх маршрутизаторів, підключених до якої-небудь глобальної мережі, виділяється спеціальний маршрутизатор, який веде ARP-таблицю для всіх інших вузлів і маршрутизаторів цієї мережі. При такому підході централізованому для всіх вузлів і маршрутизаторів вручну потрібно встановити тільки IP-адресу і локальний адресу виділеного маршрутизатора. Потім кожен вузол і маршрутизатор реєструє свої адреси в виділеному маршрутизаторі, а при необхідності встановлення відповідності між IP-адресою і локальною адресою вузол звертається до виділеного маршрутизатора з запитом і автоматично отримує відповідь без участі адміністратора.

Відображення символьних адрес на IP-адреси: служба DNS

DNS (Domain Name System) - це розподілена база даних, що підтримує ієрархічну систему імен для ідентифікації вузлів у мережі Internet. Служба DNS призначена для автоматичного пошуку IP-адреси за відомим символьному імені вузла. Специфікація DNS визначається стандартами RFC 1034 і 1035. DNS вимагає статичної конфігурації своїх таблиць, що відображають імена комп'ютерів в IP-адресу.

Протокол DNS є службовим протоколом прикладного рівня. Цей протокол несиметричний - у ньому визначені DNS-сервери і DNS-клієнти. DNS-сервери зберігають частина розподіленої бази даних про відповідність символьних імен і IP-адрес. Ця база даних розподілена по адміністративним доменам мережі Internet. Клієнти DNS знають IP-адресу сервера DNS свого адміністративного домену і за протоколом IP передають запит, у якому повідомляють відоме символьне ім'я й просять повернути відповідний йому IP-адресу.

Якщо дані про запрошенням відповідно зберігаються в базі даного DNS-сервера, то він відразу посилає відповідь клієнту, якщо ж ні - то він надсилає запит DNS-сервера іншого домену, який може сам обробити запит, або передати його іншому DNS-сервера. Всі DNS-сервери з'єднані ієрархічно, відповідно до ієрархії доменів мережі Internet. Клієнт опитує ці сервери імен, поки не знайде потрібні відображення. Цей процес прискорюється через те, що сервери імен постійно кешують інформацію, що надається за запитами. Клієнтські комп'ютери можуть використовувати у своїй роботі IP-адреси декількох DNS-серверів, для підвищення надійності своєї роботи.

База даних DNS має структуру дерева, називаного доменним простором імен, у якому кожний домен (вузол дерева) має ім'я і може містити піддомени. Ім'я домену ідентифікує його положення в цій базі даних по відношенню до батьківського домену, причому крапки в імені відокремлюють частині, відповідні вузлам домену.

Корінь бази даних DNS управляється центром Internet Network Information Center. Домени верхнього рівня призначаються для кожної країни, а також на організаційній основі. Імена цих доменів повинні випливати міжнародному стандарту ISO 3166. Для позначення країн використовуються трибуквені і дволітерні абревіатури, а для різних типів організацій використовуються наступні абревіатури:


Кожен домен DNS адмініструється окремою організацією, яка зазвичай розбиває свій домен на піддомени і передає функції адміністрування цих піддоменів іншим організаціям. Кожен домен має унікальне ім'я, а кожен з піддоменів має унікальне ім'я усередині свого домену. Ім'я домена може містити до 63 символів. Кожен хост в мережі Internet однозначно визначається своїм повним доменним ім'ям (fully qualified domain name, FQDN), яке включає імена всіх доменів по напрямку від хоста до кореня. Приклад повного DNS-імені: citint.dol.ru.


Автоматизація процесу призначення IP-адрес вузлів мережі - протокол DHCP


Як вже було сказано, IP-адреси можуть призначатися адміністратором мережі вручну. Це становить для адміністратора тяжку процедуру. Ситуація ускладнюється ще тим, що багато користувачів не володіють достатніми знаннями для того, щоб конфігурувати свої комп'ютери для роботи в інтермережі і тому повинні покладатися на адміністраторів.

Протокол Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) був розроблений для того, щоб звільнити адміністратора від цих проблем. Основним призначенням DHCP є динамічне призначення IP-адрес. Однак, крім динамічного, DHCP може підтримувати і більш прості способи ручного й автоматичного статичного призначення адрес.

У ручній процедуру призначення адрес активну участь приймає адміністратор, який надає DHCP-серверу інформацію про відповідність IP-адрес фізичним адресами або іншим ідентифікаторів клієнтів. Ці адреси повідомляються клієнтам у відповідь на їхні запити до DHCP-сервера.

При автоматичному статичному способі DHCP-сервер привласнює IP-адреса (і, можливо, інші параметри конфігурації клієнта) з пулу готівкових IP-адрес без втручання оператора. Межі пулу призначаються адрес задає адміністратор при конфігуруванні DHCP-сервера. Між ідентифікатором клієнта і його IP-адресою, як і раніше, як і при ручному призначення, існує постійна відповідність. Воно встановлюється в момент первинного призначення сервером DHCP IP-адреси клієнта. При всіх наступних запитах сервер повертає той же самий IP-адресу.

При динамічному розподілі адрес DHCP-сервер видає адреса клієнту на обмежений час, що дає можливість згодом повторно використовувати IP-адреси іншими комп'ютерами. Динамічне розділення адрес дозволяє будувати IP-мережу, кількість вузлів у якої набагато перевищує кількість наявних у розпорядженні адміністратора IP-адрес.

DHCP забезпечує надійний і простий спосіб конфігурації мережі TCP / IP, гарантуючи відсутність конфліктів адрес за рахунок централізованого управління їх розподілом. Адміністратор управляє процесом призначення адрес за допомогою параметра "тривалості оренди" (lease duration), яка визначає, як довго комп'ютер може використовувати призначений IP-адреса, перед тим як знову запросити його від сервера DHCP в оренду.

Прикладом роботи протоколу DHCP може служити ситуація, коли комп'ютер, що є клієнтом DHCP, видаляється з підмережі. При цьому призначений йому IP-адресу автоматично звільняється.