Кулябов Д.С., Королькова А.В. Архитектура и принципы построения современных сетей и систем телекоммуникаций

Подождите немного. Документ загружается.

5.1. Протокол IPv4 111

Поле Тип обслуживания (Type of Service, TOS) (длина 8 бит) состоит из несколь-

ких подполей (рис. 5.2). Вначале идёт подполе приоритета (Precedence) пакета

(длина 3 бита). Приоритет может иметь значение от самого низкого — 0 (обыч-

ный пакет) до самого высокого — 7 (пакет управляющей информации). Более

важные пакеты обрабатываются в первую очередь.

Precedence

D T R C

Рис. 5.2. Поле Тип обслуживания заголовка IP

Далее следуют четыре бита, задающие тип обслуживания. Из этих четырёх

бит только один может быть выставлен в 1. Они имеют следующий смысл: малая

задержка (Low Delay, D), высокая пропускная способность (High Throughput,

T), высокая надёжность (High Reliability, R), низкая стоимость (Low Cost, C).

Последний бит подполя был добавлен уже после появления RFC 791 [8]. Смысл

значений типа обслуживания абстрактен

Последний бит поля не используется.

Поле Общая длина (Total Length) (длина 16 бит) описывает общий размер

пакета в байтах с учётом заголовка и поля данных. Максимальная длина паке-

та ограничена разрядностью этого поля и составляет 65535 байт, однако обычно

столь большие пакеты не используются.

Поле Идентификатор пакета (Identification) (длина 16 бит) определяет каж-

дый посланный узлом пакет IP и увеличивается на 1 при отправке каждого пакета.

Исключением из правил являются фрагментированные пакеты IP, в которых зна-

чение поля идентификатора пакета одинаково для всех отправленных фрагмен-

тов. При фрагментации используются также поля Флаги и Смещение фрагмента.

Поле Флаги (Flags) (длина 3 бита) (рис. 5.3) содержит признаки, связанные с

фрагментацией. Установленный бит Не фрагментировать (Do not Fragment, DF)

запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит

Есть ещё фрагменты (More Fragments, MF) говорит о том, что данный пакет

является промежуточным фрагментом. Первый бит зарезервирован.

Поле Смещение фрагмента (Fragment Offset) (длина 13 бит) задаёт смещение

в байтах поля данных этого пакета от начала поля данных исходного фрагменти-

рованного пакета. Смещение должно быть кратным 8 байтам.

Поле Время жизни (Time to Live, TTL) (длина 8 бит) указывает предельный

срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Значение этого поля

уменьшается на 1 каждую секунду или всякий раз, как пакет IP проходит через

маршрутизатор. Когда значение этого поля достигает 0, маршрутизатор отбрасы-

В RFC 791 отмечено: «Тип обслуживания — это абстрактный и обобщённый набор парамет-

ров, характеризующий услуги, которые предоставляются сетями, составляющими объединённую

сеть. Значения из поля Тип обслуживания должны использовать шлюзы при выборе параметров

реальной пересылки информации в данной сети, сети следующего участка на пути пакета или

следующего шлюза при маршрутизации сетевой датаграммы».

112 Глава 5. Сетевой уровень

DF MF

Рис. 5.3. Поле Флаги заголовка IP

вает пакет и отсылает отправителю пакет ICMP, уведомляя его об истечении вре-

мени жизни. Основным предназначением этого пакета является предотвращение

зацикливания пакета между маршрутизаторами.

Если получатель принял не все фрагменты пакета IP, а время жизни дошло до

0, то получатель направляет отправителю пакет ICMP, уведомляющий об исте-

чении времени жизни уже в процессе ожидания начала сборки пакета.

Поле Протокол верхнего уровня (Protocol) (8 бит) указывает, какому прото-

колу верхнего уровня принадлежит информация, размещённая в поле данных па-

кета. Значение идентификаторов для различных протоколов приводятся в RFC

«Assigned Numbers» (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Идентификаторы наиболее распространённых протоколов

Значение Название Описание

1 ICMP Internet Control Message Protocol — протокол меж-

сетевых управляющих сообщений

2 IGMP Internet Group Menagement Protocol — протокол

управления межсетевыми группами

3 GGP Gateway-to-Gateway Protocol — межшлюзовый про-

токол

4 IP Инкапсуляция IP в IP

6 TCP Transmission Control Protocol — протокол управле-

ния передачей

8 EGP Exterior Gateway Protocol — протокол внешнего

шлюза

17 UDP User Datagram Protocol — протокол пользователь-

ских датаграмм

88 IGRP Interior Gateway Routing Protocol — внутренний

протокол маршрутизации

89 OSPF Open Shortest Path First

Поле Контрольная сумма (Header Checksum) (длина 2 байта) рассчитывается

только по заголовку (данные не учитываются). Поскольку некоторые поля заго-

ловка меняют своё значение в процессе передачи пакета по сети, контрольная

5.1. Протокол IPv4 113

сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой обработке заголовка

пакета IP. При вычислении контрольной суммы значение самого поля Контроль-

ная сумма выставляется в ноль.

Поля IP-адрес источника (Source IP Address) и IP-адрес назначения (Desti-

nation IP Address) (длина по 32 бита) содержат адреса отправителя и получателя

соответственно.

Поле Опции (Option) является необязательным и используется обычно при от-

ладке. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может иметь

один из восьми предопределённых типов. Так как число подполей может быть

произвольным, то после этого поля может идти поле Выравнивание (Padding),

служащее для выравнивания заголовка по 32-битной границе. Выравнивание осу-

ществляется нулями.

5.1.2. Схема адресации протокола IPv4

В сети IP все устройства имеют уникальный адрес (IP-адрес). IP-адрес ха-

рактеризует не само устройство, а соединение устройства с сетью (например,

устройство с двумя сетевыми интерфейсами будет иметь как минимум два IP-

адреса). Схема адресации протокола IPv4 описана в документах RFC 990 [9],

RFC 997 [10].

IP-адрес имеет длину 32 бита. Для удобства принято записывать IP-адрес в

виде двоично-десятичного числа: каждый байт (октет) записывается в виде де-

сятичного числа в диапазоне от 0 до 255; октеты разделены точками (например,

192.168.0.1). Такая форма записи носит название десятично-точечной нотации.

5.1.2.1. Классы адресов

IP-адреса разделяются на 5 классов: A, B, C, D, E. Адреса классов A, B и C

делятся на две логические части: номер сети и номер узла (рис. 5.4, табл. 5.2).

У адресов класса A старший бит установлен в 0 (рис. 5.4а). Длина сетевого

префикса — 8 бит. Для номера узла выделяется 24 бита. Таким образом, в классе

A может быть 126 сетей (2

− 2, поскольку два номера сети имеют специальное

значение, см. п. 5.1.2.2). Каждая сеть этого класса может поддерживать макси-

мум 16777214 узлов (2

−2, также см. п. 5.1.2.2). Адресный блок класса A может

содержать максимум 2

уникальных адресов, в то время как в протоколе IPv4 воз-

можно существование 2

адресов. Таким образом, адресное пространство класса

A занимает 50% всего адресного пространства протокола IPv4. Адреса класса A

предназначены для использования в больших сетях, с большим количеством уз-

лов. На данный момент все адреса класса A распределены.

У адресов класса B два старших бита установлены в 1 и 0 соответственно

(рис. 5.4б). Длина сетевого префикса — 16 бит. Поле номера узла тоже имеет

длину 16 бит. Таким образом, число сетей класса B равно 16384 (2

); каждая

сеть класса B может поддерживать до 65534 узлов (2

− 2). Адресный блок сетей

класса B содержит 2

уникальных адресов, т.е. 25% всего адресного простран-

ства. Класс B предназначен для применения в сетях среднего размера.

У адресов класса C три старших бита установлены в 1, 1 и 0 соответственно

(рис. 5.4в). Префикс сети имеет длину 24 бита, номер узла — 8 бит. Максимально

возможное количество сетей класса C составляет 2097152 (2

). Каждая сеть мо-

жет поддерживать максимум 254 узла (2

−2). Весь адресный блок сетей класса C

114 Глава 5. Сетевой уровень

0 8 16 24 31





















Номер сети

Номер узла

(а) Класс A

1 0





















Номер сети

Номер узла

(б) Класс B

1 1 0





















Номер сети

Номер узла

(в) Класс C

1 1 1 0

(г) Класс D

1 1 1 1

(д) Класс E

Рис. 5.4. Классы сетей IPv4

5.1. Протокол IPv4 115

Таблица 5.2

Классы IP-адресов

Класс

адреса

Формат за-

писи

Старшие

биты

Границы адресов

сети

Количество

битов в

адресе

сети/хоста

Макси-

мальное

количество

сетей

Макси-

мальное

количество

хостов

Назначение

A N.H.H.H 0 от 1.0.0.0 до

126.0.0.0

8/24 2

− 2 2

− 2 Большие

организа-

ции

B N.N.H.H 1 0 от 128.0.0.0 до

191.255.0.0

16/16 2

− 2 Организации

среднего

размера

C N.N.N.H 1 1 0 от 192.0.0.0 до

223.255.255.0

24/8 2

− 2 Малые ор-

ганизации

D — 1 1 1 0 от 224.0.0.0 до

239.255.255.255

— — — Групповое

вещание

E — 1 1 1 1 от 240.0.0.0 до

247.255.255.255

— — — Экспери-

ментальные

Обозначения: N — часть адреса, относящаяся к номеру сети, H — часть адреса, относящаяся к номеру узла.

116 Глава 5. Сетевой уровень

содержит 2

уникальных адреса, что равно 12,5% от всего адресного простран-

ства. Класс C предназначен для сетей с небольшим количеством узлов.

Два оставшихся класса имеют другую структуру адреса.

У адресов класса D четыре старших бита установлены в 1, 1, 1 и 0 соответ-

ственно (рис. 5.4г). Адреса этого класса используются для поддержки группово-

го вещания (Multicasting). При групповом вещании пакет передаётся нескольким

узлам по схеме «один-ко-многим». Адрес класса D является идентификатором

такой группы. Узлы сами идентифицируют себя, определяя, к какой группе они

относятся. Узлы, принадлежащие одной группе, могут быть распределены по раз-

ным сетям произвольным образом.

У адресов класса E четыре старших бита установлены в 1, 1, 1 и 1 соответ-

ственно (рис. 5.4д). Класс E зарезервирован для экспериментального использо-

вания.

5.1.2.2. Служебные IP-адреса

Некоторые IP-адреса являются зарезервированными (табл. 5.3).

Таблица 5.3

Служебные IP-адреса

Поле сети Поле узла Интерпретация

Все биты равны 0 Все биты равны 0 Данное устройство

Все биты равны 0 Номер узла Устройство в данной IP-сети

Все биты равны 1 Все биты равны 1 Все устройства в данной IP-

сети (ограниченное широкове-

щательное сообщение (Limited

Broadcast))

Номер сети Все биты равны 0 Данная IP-сеть

Номер сети Все биты равны 1 Все устройства в указанной IP-

сети (широковещательное сооб-

щение (Broadcast))

127 Возвратный адрес (Loopback)

Для таких адресов существуют соглашения об их особой интерпретации.

1) Если все биты IP-адреса установлены в нуль, то он обозначает адрес дан-

ного устройства.

2) Если в поле номера сети стоят нули, то считается, что получатель принад-

лежит той же самой сети, что и отправитель.

3) Если все биты IP-адреса установлены в единицу, то пакет с таким адресом

должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и отправи-

тель. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сооб-

щением (Limited Broadcast).

4) Если все биты номера узла установлены в нуль, то пакет предназначен для

данной сети.

5.1. Протокол IPv4 117

5) Если все биты в поле номера узла установлены в единицу, то пакет рассы-

лается всем узлам сети с данным номером сети. Такая рассылка называется

широковещательным сообщением (Broadcast).

Из этих двух пунктов видно, что в любой сети два значения номера узла

зарезервированы для служебной надобности.

6) Если первый октет адреса равен 127, то адрес обозначает тот же самый узел.

Такой адрес используется для взаимодействия процессов на одной и той же

машине и называется возвратным (Loopback) адресом.

5.1.2.3. Подсети

Стандартная схема разбиения пула адресов на классы порождает ряд проблем,

как то:

–– резкий рост таблиц маршрутизации в Интернете;

–– нерациональное использование адресного пространства.

Для решения данных проблем был введён дополнительный уровень иерархии

структуры IP-адреса — номер подсети (рис. 5.5).

Номер сети Номер узла











Префикс сети

Номер сети Номер подсети Номер узла











Расширенный префикс сети

Рис. 5.5. Двухуровневая и трёхуровневая иерархии IP-адресов

Таким образом, снаружи адресация проводится по номеру сети, а внутренняя

организация сети не видна извне. Любое изменение топологии внутренней сети

не влияет на таблицы маршрутизации в Интернете. Это уменьшает первую про-

блему. С другой стороны, разбиение на подсети позволяет организации, которой

выделена сеть, более гибко и экономно использовать адресное пространство, что

смягчает вторую проблему.

5.1.2.4. Маска подсети

Поля номеров сети и подсети образуют расширенный сетевой префикс. Для

выделения расширенного сетевого префикса используется маска подсети (Sub-

net Mask) — 32-разрядное двоичное число (по длине IP-адреса), в разрядах рас-

ширенного префикса содержащая единицу, а в остальных разрядах — ноль. Рас-

ширенный сетевой префикс получается побитным сложением по модулю два (опе-

рация XOR) IP-адреса и маски подсети. При таком построении очевидно, что

число подсетей представляет собой степень двойки — 2

, где n — длина поля

номера подсети. Таким образом, характеристики IP-адреса полностью задаются

собственно IP-адресом и маской подсети.

Для упрощения записи применяют следующую нотацию (так называемая CIDR-

нотация): IP-адрес/длина_ расширенного_сетевого_префикса. Например,

адрес 192.168.0.1 с маской 255.255.255.0 будет в данной нотации выглядеть как

118 Глава 5. Сетевой уровень

192.168.0.1/24 (очевидно, что 24 — это число единиц, содержащихся в маске

подсети).

Для стандартных классов сетей можно записать следующие значения масок

подсетей (в десятично-точечной нотации):

–– 255.0.0.0 — маска для сети класса A; длина расширенного сетевого префик-

са — 8;

–– 255.255.0.0 — маска для сети класса B; длина расширенного сетевого пре-

фикса — 16;

–– 255.255.255.0 — маска для сети класса C; длина расширенного сетевого пре-

фикса — 24.

5.1.2.5. Маска подсети переменной длины

В RFC 1009 [11] был определён порядок использования в сети, разделённой

на подсети, нескольких масок подсети. В этом случае расширенные сетевые пре-

фиксы имеют разную длину, и маски подсетей называются масками подсетей

переменной длины (Variable Length Subnet Mask, VLSM). Таким образом можно

разбить сеть на подсети разного размера.

Подсети выделяются рекурсивно: сеть разбивается на подсети, далее некото-

рые из этих подсетей в свою очередь тоже делятся на подсети и т.д. При этом, ко-

личество доступных подсетей вычисляется по формуле 2

, где m — количество

бит, выделяемых для идентификации сети, а количество узлов в сети вычисляет-

ся по формуле 2

− 2, где n — количество бит, выделяемых для идентификации

узла.

В качестве примера на рис. 5.6 приведено разбиение сети класса C.

192.168.80.0/24 192.168.80.0/26 192.168.80.128/28

192.168.80.64/26 192.168.80.144/28

192.168.80.128/26 192.168.80.160/28

192.168.80.192/26 192.168.80.176/28

Рис. 5.6. Разбиение сети на подсети

Рассмотрим подробнее разбиение сети на несколько подсетей.

Пример (Разбиение сети класса A на 5 подсетей).

Пусть дана сеть 100.0.0.0/8. Длина сетевого префикса — 8. Сети соответствует

маска 255.0.0.0 и broadcast-адрес 100.255.255.255/8. Данную сеть можно разбить

на 2

= 256 подсетей.

Разобьём сеть сначала на 4 подсети. Для этого под идентификатор сети надо

выделить дополнительно 2 бита, чтобы получить 4 различные комбинации: 00,

01, 10, 11. Эти комбинации бит определяют вид второго октета адреса: 00000000

даёт число 0 в десятичной форме записи, 01000000 — число 64, 10000000 —

число 128, 11000000 — число 192.

Сетевой префикс будет иметь длину 10, а маска будет иметь вид 255.192.0.0

(или в двоичной форме 11111111 11000000 00000000 00000000).

Чтобы получить broadcast-адрес, надо зафиксировать сетевую часть адреса, а

биты, относящиеся к номеру хоста, положить равными 1. Так сеть 100.64.0.0/10

в двоичной форме запишется как

5.2. Протокол IPv6 119

01100100 01000000 00000000 00000000.

Её broadcast-адрес в двоичной форме будет иметь вид

01100100 01111111 11111111 11111111,

а в десятичной форме — 100.127.255.255.

Таким образом, получим 4 подсети.

адрес подсети broadcast-адрес маска

100.0.0.0/10 100.63.255.255/10 255.192.0.0

100.64.0.0/10 100.127.255.255/10 255.192.0.0

100.128.0.0/10 100.191.255.255/10 255.192.0.0

100.192.0.0/10 100.255.255.255/10 255.192.0.0

Одну из подсетей, например 100.64.0.0/10, разобьём ещё на 2 подсети. Для

этого под идентификатор сети надо выделить дополнительно ещё 1 бит. Маска

будет иметь вид 255.224.0.0. Тогда получим ещё 2 подсети:

адрес подсети broadcast-адрес маска

100.64.0.0/11 100.81.255.255/11 255.224.0.0

100.96.0.0/11 100.127.255.255/11 255.224.0.0

5.1.2.6. Бесклассовая маршрутизация

Логическим продолжением концепции подсетей является концепция бесклас-

совой маршрутизации (Classless InterDomain Routing, CIDR), RFC 1517–1520 [12,

13,14, 15]. Основные положения данной технологии:

–– Отход от традиционной концепции разделения IP-адресов на классы. Вме-

сто этого для определения границ между номером сети и номером хоста

используется расширенный сетевой префикс. Таким образом, возможна ор-

ганизация сетей произвольного размера. При маршрутизации каждая часть

маршрутной информации распространяется маршрутизаторами совместно

с сетевым префиксом.

–– Объединение маршрутов. Рекомендуется выделять адреса иерархически.

5.2. Протокол IPv6

Для решения проблемы нехватки адресного пространства был разработан про-

токол IPv6 со 128-битными IP-адресами. Кроме того, IPv6 призван решить и неко-

торые другие задачи (улучшение масштабируемости сети, поддержка качества

обслуживания, обеспечение информационной безопасности и др.).

По сравнению с IPv4 в IPv6 внесены следующие изменения:

–– упрощён заголовок IP-пакета;

–– расширено адресное пространство с 32 до 128 бит;

–– улучшена поддержка иерархической адресации, агрегирования маршрутов

и автоматического конфигурирования адресов;

–– добавлены механизмы аутентификации и шифрования на уровне IP-пакетов;

–– добавлены метки потоков данных.

120 Глава 5. Сетевой уровень

5.2.1. Формат заголовка пакета IPv6

IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Формат заголовка IPv6 опре-

делён в RFC-2460 [16] (ранее — RFC-1883 [17]). Длина заголовка — 40 байт.

Рассмотрим его структуру (рис. 5.7).

0 8 16 24 31

Версия

Класс трафика

Метка потока

Размер поля данных

След. заголовок

Макс. число

транз. узлов

IP-адрес источника (16 байт)

IP-адрес назначения (16 байт)











40 байт

Рис. 5.7. Формат заголовка пакета IPv6 (RFC-2460)

Поле Версия (Version) (длина 4 бита) указывает версию протокола IP. В данном

случае IPv6.

Поле Класс трафика (Traffic Class) (длина 8 бит) предназначено для опре-

деления класса и соответствующего приоритета пакета. В RFC-1883 данное поле

называлось Приоритет (Priority), имело длину 4 бита и указывало приоритет па-

кета, причём 16 значений этого поля были разделены на две категории: значения

поля от 0 до 7 применялись к пакетам, от которых можно отказаться при пере-

грузке линии; значения поля от 8 до 15 назначались пакетам, которые должны

быть отправлены при любом состоянии (кроме обрыва) линии.

Поле Метка потока (Flow Label) (длина 20 бит) идентифицирует поток, тре-

бующий специальной обработки (например, определённой полосы пропускания

или задержки) сетевыми модулями. Меткой потока служит псевдо-случайное чис-

ло, которое также может служить хеш-ключом для шлюзов, обрабатывающих

определённый поток. В RFC-1883 данное поле имело длину 24 бита.

Поле Размер поля данных (Payload Length) (длина 16 бит) указывает длину (в

октетах) поля данных, которое следует сразу после заголовка пакета.

Поле Следующий заголовок (Next Header) (длина 8 бит) идентифицирует тип

заголовка, который следует непосредственно за заголовком IPv6 — дополнитель-

ный заголовок IPv6, следующий за основным, или идентификатор протокола верх-

него уровня, которому принадлежит информация, размещённая в поле данных

пакета.