Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

269

держит следующие поля.

"Тип оборудования" (Hardware Type). В этом поле располагается при-

знак типа применяемого протокола канального уровня. Например, протоколу

Ethernet значение данного поля соответствует 1, сети Х.25 – 2, АТМ – 16.

"Тип протокола" (Protocol Type). В него помещается признак типа ис-

пользуемого протокола сетевого уровня. Например, для протокола IP в это

поле помещается число 2048, для Х.25 – 2053.

"Длина АдрА и АдрП" (HLEN и PLEN). Содержимое этих полей оп-

ределяет размер адреса канального (аппаратного) и сетевого (протокольного)

уровней соответственно. Наличие данных полей обеспечивает возможность

использования протокола ARP для определения физического адреса в раз-

личных сетях второго и третьего уровней.

"Код операции" (Operation). В этом поле размещается признак типа

информационного кадра: ARP Request; ARP Response; RARP Request или

RARP Response.

"Аппаратный адрес отправителя/получателя" (Sender/Target

Hardware Address) служат для размещения физических адресов передающей

станции и станции назначения соответственно.

"IP-Адрес сети отправителя/получателя" (IP Sender/Target Network

Address). В них располагаются сетевые адреса передающей станции и стан-

ции назначения соответственно.

Для выполнения функции, обратной действиям ARP разработан про-

токол RARP (Reverse ARP). Он предназначен для нахождения логического

сетевого адреса узла сети по известному его МАС-адресу. Необходимость

применения такого протокола возникает в случаях использования в локаль-

ной сети бездисковых рабочих станций. Поскольку специальных запоми-

нающих устройств для хранения сетевого адреса на бездисковой рабочей

станции нет и быть не может, то этот адрес должен быть присвоен ей дина-

Рисунок 4.6

–

Формат кадра протокола

Компьютерные сети

270

мически. Динамическое присвоение сетевого адреса бездисковым рабочим

станциям выполняет протокол RARP.

Для того чтобы кадр RARP мог достичь всех абонентов своей сети, в

качестве МАС-адреса назначения этого блока используется широковеща-

тельный адрес (broadcast). Сформированный таким образом кадр называется

RARP-запрос (RARP-request). На кадр данного типа может ответить только

устройство, выполняющее функцию RARP-сервера.

Функцию RARP-сервера в сети выполняет специальный компьютер,

устанавливающий соответствие между физическим и сетевым адресами

станций. Обычно это соответствие устанавливается при помощи специаль-

ных динамических таблиц, в которых каждой станции по её физическому

адресу ставится в соответствие логический – сетевой адрес. Таким образом,

информационное взаимодействие при выполнении протокола RARP состоит

из следующих этапов:

 получение RARP-запроса от рабочей станции;

 определение значения МАС-адреса;

 нахождение по таблице значение сетевого адреса;

 формирование ответного кадра RARP-reply.

Для обеспечения достаточной надежности функционирования службы

определения соответствия адресов целесообразно применять резервирование

RARP-сервера. Простое резервирование, например, дублирование этих уст-

ройств, может привести к возникновению дополнительных трудностей. К та-

ким трудностям, в частности, относится возможность возникновения колли-

зий при одновременном ответе на RARP-запрос двумя RARP-серверами. Для

разрешения этой проблемы проводится ранжирование серверов на первич-

ный и вторичные.

4.1.5. Структуризация IP-сетей с помощью масок

Часто администраторы сетей испытывают неудобства из-за малого ко-

личества централизованно выделенных им номеров сетей, которых недоста-

точно для разделения на части (структурирования) сети надлежащим обра-

зом, например, разместить все редко взаимодействующие компьютеры по

разным сетям. В такой ситуации возможны два пути. Первый из них связан с

получением дополнительных номеров сетей. Второй способ, употребляю-

щийся более часто, связан с использованием так называемых сетевых масок,

позволяющих разделять одну сеть на несколько подсетей. Подсеть пред-

ставляет собой подмножество сети, не пересекающееся с другими подсетя-

ми. Это означает, что сеть организации (например, сеть класса С) может

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

271

быть разбита на части, каждая из которых представляет собой подсеть. На

практике каждая подсеть обычно соответствует физической локальной сети

(например, сегменту Ethernet).

Для указания маршрутизатору, какие биты используются для иденти-

фикации сети и подсети, применяется процедура маскирования. Маска

представляет собой число, двоичная запись которого содержит единицы в

тех разрядах, которые должны интерпретироваться как номер сети, в осталь-

ных разрядах содержатся нули. Например, для стандартных классов сетей

маски имеют следующие значения:

255.0.0.0 – для сети класса А,

255.255.0.0 – для сети класса В,

255.255.255.0 – для сети класса С.

Разбиение сети на подсети использует часть IP-адреса, закрепленную

за номерами хостов. В масках, применяемых администратором для увеличе-

ния числа сетей, количество единиц в последовательности, определяющей

границу номера сети, не обязательно должно быть кратным 8, чтобы повто-

рять деление адреса на байты.

Рассмотрим пример, в котором маска сети имеет значение

255.255.192.0 (11111111 11111111 11000000 00000000). Пусть сеть имеет но-

мер 129.44.0.0 (10000001 00101100 00000000 00000000), из которого видно,

что она относится к классу В. После наложения данной маски на этот адрес

число разрядов, интерпретируемых как номер сети, увеличилось с 16 до 18,

т.е. администратор получил возможность использовать вместо одного, цен-

трализованно заданного ему номера сети, четыре:

129.44.0.0 (10000001 00101100 00000000 00000000)

129.44.64.0 (10000001 00101100 01000000 00000000)

129.44.128.0 (10000001 00101100 10000000 00000000)

129.44.192.0 (10000001 00101100 11000000 00000000) .

Например, IP-адрес 129.44.141.15 (10000001 00101100 10001101

00001111), который задает номер сети 129.44.0.0 и номер узла 0.0.141.15,

при использовании маски будет интерпретироваться как пара:

129.44.128.0 – номер сети, 0.0.13.15 – номер узла.

Таким образом, установив новое значение маски, можно заставить

маршрутизатор по-другому интерпретировать IP-адрес. При этом два допол-

нительных последних бита номера сети часто интерпретируются как номера

подсетей.

Рассмотрим еще один пример. Пусть некоторая сеть относится к клас-

Компьютерные сети

272

су В и имеет адрес 147.30.0.0 (рисунок 4.7).

Этот адрес используется маршрутизатором, соединяющим сеть с ос-

тальной частью объединенной сети. И пусть среди всех станций данной сети

есть станции, редко взаимодействующие между собой. Их целесообразно

разместить в разных сетях. Для этого сеть следует разделить на две подсети,

подключив их к соответствующим портам маршрутизатора, и задать для

этих портов в качестве маски, например, число 255.255.255.0. Таким обра-

зом, внутри исходной сети создано две подсети с централизовано заданным

номером класса C (можно было бы выбрать и другой размер для поля адреса

подсети). Извне сеть по-прежнему выглядит, как единая сеть класса В, а на

местном уровне это – две отдельные сети класса С. Приходящий общий тра-

фик разделяется местным маршрутизатором М между подсетями. Необхо-

димо заметить, что, если принимается решение об использовании механизма

масок, то соответствующим образом должны быть сконфигурированы и

маршрутизаторы, и компьютеры сети.

К сожалению, подсети не только решают, но также и создают ряд про-

блем. Например, невозможно использовать часть адресов из-за самого

принципа построения адресов подсети. Так, например, выделение трех битов

на адрес подсети не приводит к образованию 8-ми подсетей. Образуется

только 6 подсетей в связи с тем, что номера сетей 0 и 7 использовать в силу

специального значения IP-адресов, состоящих только из всех нулей и еди-

ниц, нельзя. Таким образом, все комбинации адресов хоста внутри подсети,

которые можно было бы связать с этими номерами, использовать невозмож-

но. Чем шире маска подсети (чем больше места отводится на адрес хоста),

тем больше потерь. В ряде случаев приходится выбирать между приобрете-

нием адреса еще одной сети или изменением маски.

Рисунок 4.7 – Пример использования масок для структурирования сети

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

273

4.2. Межсетевые протоколы IP и IPv6

4.2.1. Межсетевой протокол IP

Межсетевой протокол предназначен для использования в системе свя-

занных между собой маршрутизаторами (межсетевыми шлюзами) сетей

коммутации пакетов. Основным назначением IP-протокола является переда-

ча от источников к адресатам блоков данных, называемых межсетевыми

дейтаграммами (МД). IP обеспечивает определение пути следования дейта-

грамм, фрагментацию их на передающей стороне и сборку фрагментов на

узле получателя при необходимости передачи длинных дейтаграмм через

подсети с малой допустимой длиной пакетов.

IP является протоколом без установления соединения, не гарантирую-

щим доставку пакетов. Это означает, что протокол IP не предусматривает

обмен служебными сообщениями, подтверждающими готовность узла к

приему, установление соединения, подтверждения правильности приема

данных и их целостность. Протокол IP обрабатывает каждую дейтаграмму

как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими дейта-

граммами в сети. После отправки дейтаграммы в сеть ее дальнейшее про-

движение никак не контролируется отправителем (на уровне протокола IP).

Если дейтаграмма не может быть доставлена получателю, она удаляется из

сети. Узел, уничтоживший дейтаграмму, может оправить по обратному адре-

су ICMP-сообщение о причине сбоя.

Программный модуль, реализующий IP-протокол, функционирует в

каждом из компьютеров, включенных в сеть, а также в каждом маршрутиза-

торе, соединяющим отдельные подсети. Эти модули работают по общим

правилам интерпретации поля межсетевого адреса, фрагментации и сборки

межсетевых дейтаграмм.

Обобщенный алгоритм работы модуля IP на каком-либо узле сети,

принимающего дейтаграмму из сети, сводится к следующим действиям.

1. Прием с одного из интерфейсов уровня доступа к среде (например,

с Ethernet-интерфейса) IP-дейтаграммы.

2. Анализ заголовка дейтаграммы.

3. Если пунктом назначения дейтаграммы является данный компью-

тер, то:

3.1. Если дейтаграмма является фрагментом большей дейтаграммы,

принимаются остальные фрагменты, после чего из них собирается исходная

дейтаграмма.

Компьютерные сети

274

3.2. Из дейтаграммы извлекаются данные, определяется номер прото-

кола вышележащего уровня и данные направляются на обработку этому про-

токолу.

4. Если дейтаграмма не направлена ни на один из IP-адресов данного

узла, то дальнейшие действия зависят от дополнительных условий.

4.1. Если ретрансляция разрешена, то определяется следующий узел

сети и интерфейс нижнего уровня для доставки дейтаграммы по назначению.

4.2. Передача дейтаграммы на нижний уровень этому интерфейсу для

отправки. При необходимости может быть произведена фрагментация дейта-

граммы.

5. Если в дейтаграмме обнаружена ошибка или по каким-либо причи-

нам она не может быть доставлена, дейтаграмма уничтожается.

6. Посылка отправителю дейтаграммы ICMP-сообщения об ошибке.

При получении данных от вышестоящего уровня для отправки их по

сети IP-модуль формирует дейтаграмму с этими данными, в заголовок кото-

рой заносятся адреса отправителя и получателя, полученные от транспортно-

го уровня, и другая информация; после чего выполняются следующие шаги.

1. Если дейтаграмма предназначена этому же узлу, из нее извлекаются

данные и направляются на обработку одному из протоколов транспортного

уровня (тип протокола указывается в заголовке дейтаграммы).

2. Если дейтаграмма не направлена ни на один из IP-адресов данного

узла, то определяются следующий узел сети, на который должна быть пере-

правлена дейтаграмма для доставки ее по назначению, и интерфейс нижнего

уровня, после чего дейтаграмма передается на нижний уровень этому интер-

фейсу для отправки; при необходимости может быть произведена фрагмен-

тация дейтаграммы.

3. Если же дейтаграмма ошибочна или по каким-либо причинам не

может быть доставлена, она уничтожается.

Формат заголовка IP-дейтаграммы (межсетевой дейтаграммы) показан

на рисунке 4.8. Заголовок состоит из 32-разрядных слов и имеет переменную

длину, зависящую от размера поля "Опции", но всегда кратную 32 битам.

Поля заголовка имеют следующие значения. "Версия" указывает версию

протокола (для IP равно 0100). "ДлЗГЛ" – Длина заголовка в 32-битовых

словах. Минимальное значение – 5 (20 байтов), а максимальное – 15 (60 бай-

тов).

"Тип сервиса" индицирует степень приоритета пакета (3 бита), а так-

же включает указатели: D – задержка, Т – производительность, надежность

R (по одному биту на каждый указатель: 0 – нормальная, 1 – низкая задерж-

ка, высокая производительность, высокая надежность). "Полная длина"

указывает длину дейтаграммы в байтах (октетах), включая межсетевой заго-

ловок и данные. Номинальная длина межсетевой дейтаграммы составляет

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

275

576 байтов (512 данные + 64 заголовок), она передается целиком или фраг-

ментами. Минимальная длина заголовка 20, а максимальная – 60 байт; 4 бай-

та зарезервировано для заголовков протоколов высших уровней.

"Идентификатор" формируется отправителем и служит для сборки

фрагментов дейтаграммы.

"Флаги" (3 бита), 0 – резервный; DF =:0 – данную дейтаграмму мож-

но фрагментировать, 1– нельзя; MF=0 – последний фрагмент, 1 – промежу-

точный.

"Указатель фрагмента" указывает место данного фрагмента в межсе-

тевой дейтаграмме. Измеряется в байтах. Первый фрагмент имеет нулевое

смещение.

"Время жизни" (TTL, Time To Live) определяет максимальное время

(в секундах), в течение которого дейтаграмма может оставаться в объеди-

ненной сети. Номинальное время 30 с. Поле изменяется при обработке меж-

сетевого заголовка. Если время обработки меньше 1с, то все равно оно

уменьшится на 1. Если это поле достигает нулевого значения, то дейтаграм-

ма уничтожается. При этом отправителю может быть послано соответст-

вующее ICMP-сообщение (см. п. 4.5).

"Протокол" – указывает протокол ближайшего верхнего уровня (TCP

или UDP). Для TCP значение идентификатора равно 6, а для UDP –17.

"Контрольная сумма заголовка" занимает два байта и рассчитывает-

ся только по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое

значение в процессе передачи по сети (например, TTL) контрольная сумма

проверяется и повторно рассчитывается каждым узлом. При обнаружении

ошибки дейтаграмма уничтожается.

Рисунок 4.8 – Формат заголовка межсетевой дейтаграммы

Компьютерные сети

276

"IP-адрес отправителя и получателя" содержит стандартные 32-

битовые IP-адреса.

"Поле дополнительных услуг – IP опции" имеет переменную длину

и может отсутствовать в дейтаграмме. Опции служат для повышения безо-

пасности передачи, управления маршрутизацией, фрагментацией, для тести-

рования и отладки сетей. Опция состоит как минимум из октета "Тип оп-

ции", за которым могут следовать октеты "Длина опции" и байты сообщения

опции. Это сообщение может принимать значения: "Степень безопасности",

"Свободная источниковая маршрутизация", "Запись маршрута", "Конец

списка дополнительных услуг" и т.д. Маршрутная информация состоит из 32

битов. Если указатель маршрутизации больше, чем дополнительная длина

поля, то маршрутизация производится на основании только адреса получате-

ля. "Заполнитель" нужен для того, чтобы заголовок заканчивался, а данные

начинались на границе 32-разрядного слова. В случае использования, запол-

няется нулями, имеет переменную длину.

В связи с бурным ростом Интернет 32-битовая адресация нынешней

версии IPv4 уже не удовлетворяет потребностям Мировой сети. Для устра-

нения этого недостатка разработана новая версия межсетевого протокола

IPv6. Подробнее об этой версии протокола будет сказано ниже.

4.2.2. Фрагментация IP-пакетов

В IP-дейтаграмме под поле, содержащее размер пакета, разработчика-

ми было выделено 16 битов. Таким образом, максимальная длина дейта-

граммы не может превышать 65535 октетов. Поэтому протоколы транспорт-

ного уровня (TCP или UDP), пользующиеся сетевым уровнем для отправки

пакетов, считают, что максимальный размер поля данных IP-пакета равен

65535. В связи с этим они могут передать IP-уровню сообщение такой же

длины для транспортировки его через объединенную сеть. Однако на прак-

тике на размер дейтаграмм налагаются существенные ограничения. Как из-

вестно, передача дейтаграмм от одного компьютера к другому всегда выпол-

няется средствами физической сети. Формат и размер кадров канального

уровня зависит от вида физической сети и типа используемого оборудова-

ния.

В любой сети с коммутацией пакетов существует ограничение на мак-

симальный размер данных, которые могут быть переданы в одном физиче-

ском кадре (фрейме). Например, в технологии Ethernet это значение равняет-

ся 1500 октетам, а в технологии FDDI в одном фрейме может находиться

4096 октетов данных, а сети Х.25 чаще всего работают с MTU в 128 байтов.

Для обозначения подобных ограничений используют специальный термин –

Раздел 4. Компьютерная сеть Интернет

277

максимальная единица передачи данных в сети, сокращенно MTU

(Maximum Transfer Unit). Величина MTU может быть достаточно малой. В

некоторых сетях значение MTU составляет 128 октетов и даже меньше.

Таким образом, ограничение длины дейтаграммы размерами мини-

мального MTU, существующего в объединенной сети, приводит к падению

эффективной скорости передачи данных по причине увеличения избыточно-

сти кадра. В то же время, если размер дейтаграммы будет больше, чем раз-

мер минимального MTU в объединенной сети, это приведет к тому, что на

некоторых участках сети она может не поместиться в один канальный кадр.

Поэтому в функции уровня IP входит разбиение слишком длинного

для конкретного типа составляющей сети сообщения на более короткие па-

кеты. Части, на которые разделяется дейтаграмма, называются фрагмента-

ми, а сам процесс разделения дейтаграммы – фрагментацией.

Размер фрагмента выбирается так, чтобы он целиком помещался в од-

ном канальном кадре. Кроме того, так как в протоколе IP величина смещения

фрагмента от начала заголовка кратна 8 байтам, размер фрагмента также вы-

бирается кратным 8 байтам. Очевидно, что выбор фрагмента, размер которо-

го приблизительно равен MTU участка сети и при этом кратен 8 октетам,

приводит к делению дейтаграмм на неравные части. Размер последней части

может оказаться намного меньше остальных.

В протоколе IP нет каких-либо рекомендаций по поводу минимального

размера дейтаграммы. Поэтому пользователь может выбирать размер дейта-

граммы по своему усмотрению. Ее фрагментация и последующая сборка вы-

полняются автоматически на уровне протокола IP, без какого-либо вмеша-

тельства отправляющей стороны.

Перед тем, как узел-получатель сможет обработать фрагментирован-

ную дейтаграмму, он должен принять все ее части и произвести сборку (т.е.

восстановить ее первоначальный вид). В связи с тем, что отдельные фраг-

менты перемещается по сети независимо от других, в заголовке каждого па-

кета должна быть информация, дублирующая заголовок исходной дейта-

граммы. Кроме того, в нем предусматриваются служебные поля, необходи-

мые для сборки фрагментов в исходное сообщение. Размер фрагмента вместе

с заголовком не должен превышать размера MTU той сети, по которой пере-

сылается фрагмент.

Обратите внимание, что в заголовке дейтаграммы предусмотрены три

поля, управляющие процессом ее фрагментации и последующей сборки:

идентификационные данные, флажки и смещение фрагмента. В поле иден-

тификационных данных указывается уникальное целое число, предназна-

ченное для отождествления текущей дейтаграммы.

После доставки получателю первого фрагмента дейтаграммы запуска-

ется специальный таймер сборки (reassembly timer). Если значение таймера

Компьютерные сети

278

истекает до того, как получены все фрагменты дейтаграммы, получатель не

обрабатывает ее и удаляет полученные фрагменты, т.е. фрагментация суще-

ственно повышает вероятность потери целой дейтаграммы, поскольку поте-

ря любого фрагмента автоматически означает потерю всей дейтаграммы. Ра-

бота протокола IP по фрагментации пакетов в хостах и маршрутизаторах ил-

люстрируется рисунком 4.9. Здесь К1 и Ф1 – канальный и физический уров-

ни сети 1; К2 и Ф2 – канальный и физический уровни сети 2.

Пусть компьютер 1 связан с сетью, имеющей значение MTU в 4096

байтов, например, с сетью FDDI. При поступлении на IP-уровень компьюте-

ра 1 сообщения от транспортного уровня размером в 5600 байтов, протокол

IP делит его на два IP-пакета, устанавливая в первом пакете признак фраг-

ментации и присваивая пакету уникальный идентификатор, например, 486. В

первом пакете величина поля смещения равна 0, а во втором – 2800. Признак

фрагментации во втором пакете равен нулю, последнее показывает, что это –

завершающий фрагмент пакета. Общая величина IP-пакета составляет

2800+20 (размер заголовка IP), т.е. 2820 байтов, что умещается в поле дан-

ных кадра FDDI.

Далее компьютер 1 передает эти пакеты на канальный уровень К1, а

затем и на физический уровень Ф1, который отправляет их маршрутизатору,

связанному с данной сетью.

Маршрутизатор определяет по сетевому адресу, что прибывшие два

пакета нужно передать в сеть 2, которая имеет меньшее значение MTU, рав-

ное 1500. Вероятно, это – сеть Ethernet. Маршрутизатор извлекает фрагмент

Рисунок 4.9 – Фрагментация IP-пакетов при передаче между сетями

с разными максимальными размерами пакетов