Составные сети. Адресация в IP-сетях

Составные сети

Составная сеть в общем случае рассматривается как совокупность нескольких сетей и называется составной сетью или интерсетью (internetwork или internet). Сети, входящие в составную сеть, называются подсетями (subnet), составляющими сетями или просто сетями.

Подсети соединяются между собой маршрутизаторами. Компонентами составной сети могут являться как локальные, так и глобальные сети. Внутренняя структура каждой сети на рисунке не показана, так как она не имеет значения при рассмотрении сетевого протокола. Все узлы в пределах одной подсети взаимодействуют, используя единую для них технологию. Так, в составную сеть, показанную на рисунке, входит несколько сетей разных технологий: локальные сети Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI и глобальные сети frame relay, X.25, ISDN. Каждая из этих технологий достаточна для того, чтобы организовать взаимодействие всех узлов в своей подсети, но не способна построить информационную связь между произвольно выбранными узлами, принадлежащими разным подсетям. Следовательно, для организации взаимодействия между любой произвольной парой узлов этой «большой» составной сети требуются дополнительные средства. Такие средства и предоставляет сетевой уровень.

Сетевой уровень выступает в качестве координатора, организующего работу всех подсетей, лежащих на пути продвижения пакета по составной сети. Для перемещения данных в пределах подсетей сетевой уровень обращается к используемым в этих подсетях технологиям.

Адресация в IP-сетях

В семействе протоколов TCP/IP используются три типа адресов: локальные (физические, аппаратные), IP-адреса и символьные доменные имена (доменная адресация).

Протокол TCP/IP — сетевая модель передачи данных, представленных в цифровом виде. Модель описывает способ передачи данных от источника информации к получателю. В модели предполагается прохождение информации через четыре уровня, каждый из которых описывается правилом (протоколом передачи). Наборы правил, решающих задачу по передаче данных, составляют стек протоколов передачи данных, на которых базируется Интернет. Название TCP/IP происходит из двух важнейших протоколов семейства — Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP), которые были первыми разработаны и описаны в данном стандарте. Стек протоколов TCP/IP включает в себя четыре уровня: прикладной уровень, транспортный уровень, межсетевой уровень, канальный уровень (Network Access Layer). Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI. На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных, благодаря чему, в частности, обеспечивается полностью прозрачное взаимодействие между проводными и беспроводными сетями.

Локальные адреса уникальны для каждого сетевого соединения, они используются для доставки данных в пределах подсети, являющейся элементом составной интерсети.

Вопросы физической адресации решаются на канальном уровне стека TCP/IP. Если подсетью является локальная сеть, то локальный адрес – это МАС-адрес, который назначается сетевым адаптерам и сетевым интерфейсам маршрутизаторов. МАС-адрес для всех технологий локальных сетей имеет формат 6 байт.

Локальные адреса присваиваются сетевой плате адаптера компьютера при ее изготовлении. Эти адреса выбираются производителем сетевого интерфейсного оборудования из выделенного для него по лицензии адресного пространства. При замене платы сетевого адаптера меняется и ее локальный адрес.

Поскольку локальные и IP-адреса независимы друг от друга (между ними нет никакой алгоритмической связи), для отображения IP-адресов в локальные адреса (при передаче данных) и локальных адресов в IP-адреса (при приеме данных) необходимы соответствующие средства.

Определение локального адреса по IP-адресу осуществляется по протоколу ARP (Address Resolution Protocol, протокол разрешения адресов), который работает различным образом в зависимости от того, какой протокол канального уровня работает в данной подсети. Если подсетью является Ethernet, то в ней предусматривается широковещательный режим работы, если же это протокол глобальной сети (Х.25, Frame Relay и др.), то он, как правило, не поддерживает такой режим. Основным инструментом работы протокола ARP является таблица разрешения адресов, или ARP-таблица. Эта таблица хранится в памяти компьютера и содержит строки соответствия между IP-адресами и локальными адресами для каждого узла сети.

Если требуется по IP-адресу найти его локальный адрес, ищется в таблице строка с соответствующим IP-адресом и по нему в этой строке определяется локальный адрес. ARP-таблица заполняется автоматически модулями ARP по мере необходимости. Каждый компьютер сети имеет отдельную ARPтаблицу для каждого своего сетевого интерфейса. Отображение с помощью ARP-таблиц выполняется только для отправляемых IP-пакетов, так как только в момент отправки создаются заголовки пакетов.

Обратная задача по отображению адресов, т. е. определение IP-адреса по локальному адресу, решается с помощью протокола RARP (Reverse Address Resolution Protocol, протокол обратного разрешения адресов). Протоколы ARP и RARP абсолютно независимы.

IP-адресация в сети Internet базируется на концепции составной сети, состоящей из хостов и других сетей, причем под хостом понимается узел сети (компьютер рабочей станции, сервер, маршрутизатор), который может принимать и передавать IP-пакеты. Хосты соединяются через одну или несколько сетей (подсетей сети Internet), и адрес любого из них состоит из адреса сети и адреса хоста в этой сети. IP-адреса являются основным типом адресов, используемых сетевым уровнем для передачи пакетов между сетями.

IP-адрес представляется четырьмя десятичными числами, разделенными точками (например, 108.25.17.100). Каждое из этих чисел не может превышать 255 и представляет один байт 4-байтного адреса. 32-битный адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Длина каждой части является переменной величиной. Номер сети (он представляется старшими битами адреса) выбирается администратором произвольно, либо назначается по рекомендации специальной административной службы Internet. Номер узла назначается независимо от его локального адреса. Конечный узел (компьютер, маршрутизатор) может входить в несколько IP-сетей, поэтому каждый порт узла должен иметь собственный IP-адрес. Следовательно, IP-адрес узла идентифицирует не весь узел, а его сетевое соединение (порт), т. е. точку доступа модуля IP-протокола к сетевому интерфейсу.

IP-пакет содержит два адреса – отправителя и получателя. Оба адреса статические, т. е. не меняются на протяжении всего пути пакета. При доставке пакета адресату используются таблицы маршрутов, которые устанавливаются на каждом хосте сети. Различные протоколы маршрутизации, реализующие алгоритмы маршрутизации, обеспечивают построение и настройку этих таблиц.

IP-адресация обеспечивает пять различных классов сетей – классы А, В, C, D, E. Для кодирования каждого класса в IP-адресе выделяются несколько старших бит.

• Сети класса А предназначены для использования крупными организациями. Это большие сети, для их адресации выделено всего 7 бит, зато для адресации хостов выделено 24 бита.
• Сети класса В – это сети среднего размера (сети университетов, крупных компаний), для их адресации выделено 14 бит.
• Сети класса С – это сети с небольшим количеством рабочих станций. Таких сетей много, поэтому для их адресации выделено 21 бит.
• Адреса класса D используются при обращении к группам рабочих станций. Таких групп может быть очень много, поэтому их адресация осуществляется 28-битовыми двоичными числами. Групповая адресация используется для распространения информации от одного хоста сразу нескольким узлам, образующим группу. Номер группы указывается в поле адреса. Групповой адрес не делится на поля номера сети и номера узла, он обрабатывается маршрутизатором с помощью специального протокола IGMP (Internet Group Management Protocol).
• Адреса класса Е зарезервированы для использования в будущем. 

В протоколе IP имеется несколько соглашений об особой интерпретации IPадресов [39]. Например, если в поле номера сети стоят только нули, то это означает, что узлы назначения и узел-отправитель пакета находятся в одной и той же сети.

Доменная адресация

Для пользователей применение 32-разрядных IP-адресов, однозначно идентифицирующих любой сетевой компьютер, не очень удобно. Поэтому в Internet принято всем компьютерам присваивать имена, что позволяет пользователям лучше ориентироваться в киберпространстве сети.

На сетевом уровне адресация пакетов осуществляется не по именам, а по IPадресам, т. е. для непосредственной адресации пакетов адресация по именам не годится. Поэтому необходим механизм установления соответствия IP-адресов и имен компьютеров (алгоритмическое соответствие между ними отсутствует). Символьные имена в IP-сетях называются доменами и строятся по иерархическому признаку, т. е. различаются домены нижнего уровня, домены верхнего уровня и домены средних (промежуточных уровней). Адресация с помощью доменов получила название «доменная адресация».

Система доменной адресации DNS (Domain Name System) в сети Internet рассматривается как метод иерархической организации адресов в этой сети, а также как механизм, используемый для получения по имени компьютера его IP-адреса. В своей работе этот механизм использует таблицы соответствия имен и IP-адресов, создаваемые администраторами.

Пусть хост некоторой организации имеет IP-адрес 196.146.24.10, который, естественно, не содержит информации о расположении и характере деятельности этой организации. Если к ней потребуется часто обращаться, такой адрес трудно запомнить. Другое дело, если этому хосту присвоено имя, например такое – www.obender.com. Это имя состоит из доменов, разделенных точками. Иерархия имен задается справа налево, т. е. com – это старший домен (домен верхнего уровня), он определяет наименование и профиль организации, в сети которой располагается необходимый хост; obender – средний домен, являющийся частью домена com и обозначающий наименование подразделения организации; www – одно из имен компьютеров в домене obender. Такое имя хоста легче запомнить и использовать.

В США шесть доменов высшего уровня определены для различных организаций:

• gov. – правительственные организации;
• mil. – военные организации;
• edu. – образовательные организации;
• com. – коммерческие организации;
• org. – общественные организации;
• net. – организации, предоставляющие сетевые услуги.

По соглашению каждая страна мира имеет двухсимвольное имя, представленное доменом верхнего уровня этой страны. Для России это «ru», для США – «us», для Великобритании – «uk», для Канады – «ca» и т. п.

Изначально в сети Internet в рамках системы DNS была введена система адресации по административному, а не по территориальному принципу. При этом самый верхний домен (домен верхнего уровня) мог принимать одно из определенного числа значений, определяющих вид сети или характер организации (коммерческие организации США, правительственные учреждения США и т. д.). Все поддомены, расположенные в адресе левее домена верхнего уровня, последовательно уточняют положение адресата внутри этого домена. Например, домен верхнего уровня в адресе означает, что адресат находится в одном из правительственных учреждений США, следующий слева домен уточняет, в каком именно учреждении, следующий – указывает подразделение этого учреждения и, наконец, самый левый домен в адресе указывает на конкретный компьютер в этом подразделении.

После включения в сеть Internet сетей Европы начал использоваться территориальный принцип адресации, в соответствии с которым в качестве домена верхнего уровня употребляется код страны адресата, затем следует (если адрес читать справа налево) код региона и, наконец, код компьютера адресата. В дальнейшем принцип адресации в Internet получился смешанный: домен верхнего уровня принимает уникальное значение общеизвестной организации или сети, а затем идут коды, характерные для территориального принципа адресации. Это, однако, не затрудняет почтовые службы: если в правой части адреса записан домен типа gov, что означает «правительственное учреждение США», то адресат находится в США, поэтому код страны не нужен. Как правило, во все места, которые адресуются по типу организации, можно добраться и используя код страны.

В сетях, не являющихся IP-сетями, но использующих для регистрации имен компьютеров систему DNS, часто применяются адреса, в которых домен верхнего уровня указывает название сети адресата. Это позволяет доставить электронную почту из сетей не Internet, не имеющих IP-адреса.

Большим преимуществом системы DNS является то, что она исключает зависимость имен узлов и их сетевых адресов от центрально установленного файла связи. В IP-сетях каждый компьютер или локальная сеть компьютеров имеет 4-байтный IP-номер, и машины, осуществляющие транспортировку почты, снабжаются таблицами соответствия мнемонических адресов и IP-адресов. Распределением IP-номеров занимается специальная служба сети Internet, а их регистрация возложена на региональные администрации сетей. В странах СНГ вопросами регистрации и выделения IP-номеров занимается специальная служба в сети РЕЛКОМ. 

Пятибратов А.П., Гудыно Л.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы: Учебно-методический комплекс. – М.: Изд. центр ЕАОИ. 2009. – 292 с.