Классовая и бесклассовая адресация

Вопрос 1

Весь комплекс программно-аппаратных средств сети может быть описан многослойной моделью, состоящей из слоев:

· Компьютеры или компьютерные платформы (в основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизированных компьютерных платформ от персональных до суперЭВМ.Компьютеры подключаются к сети с помощью сетевой карты)

· Коммуникационное оборудование (сетевые адаптеры (карты), сетевые кабели, промежуточное коммуникационное оборудование: трансиверы, повторители, концентраторы, коммутаторы, мосты, маршрутизаторы и шлюзы)

· Операционные системы (образует программную платформу сети)

· Сетевые приложения (сетевые базы данных, почтовые приложения, системы автоматизации коллективной работы и др.)

Все компьютеры сетей можно разделить на два класса: серверы и рабочие станции. Сервер -многопользовательский компьютер, выделенный для обработки запросов от всех рабочих станций

Трансиверы и повторители обеспечивают усиление и преобразование сигналов в вычислительных сетях. Концентраторы и коммутаторы служат для объединения нескольких компьютеров в требуемую конфигурацию локальной вычислительной сети.

Классификация компьютерных сетей по территориальному признаку: локальные (комната-10м, здание-100м, кампус-1км) и глобальные(страна, континент, планета)

Типовые топологии сетей:

 

 

Вопрос 2

Эталонная модель OSI, иногда называемая стеком OSI представляет собой 7-уровневую сетевую иерархию разработанную Международной организацией по стандартам (International Standardization Organization - ISO). Физический уровень - канальный уровень – сетевой – транспортный – сеансовый – уровень представления – прикладной уровень

Эта модель содержит в себе по сути 2 различных модели: 1)горизонтальную модель на базе протоколов, обеспечивающую механизм взаимодействия программ и процессов на различных машинах; 2) вертикальную модель на основе услуг, обеспечиваемых соседними уровнями друг другу на одной машине

Уровень 1, физический получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и электрические/оптические свойства среды передачи определяются на физическом уровне и включают:

• Тип кабелей и разъемов
• Разводку контактов в разъемах
• Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1

Уровень 2, канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде.

Уровень 3, сетевой уровень отвечает за деление пользователей на группы. На этом уровне происходит маршрутизация пакетов на основе преобразования MAC-адресов в сетевые адреса. Сетевой уровень обеспечивает также прозрачную передачу пакетов на транспортный уровень.

Уровень 4, транспортный уровень делит потоки информации на достаточно малые фрагменты (пакеты) для передачи их на сетевой уровень.

Уровень 5, сеансовый уровень отвечает за организацию сеансов обмена данными между оконечными машинами. Протоколы сеансового уровня обычно являются составной частью функций трех верхних уровней модели.

Уровень 6, уровень представления отвечает за возможность диалога между приложениями на разных машинах. Этот уровень обеспечивает преобразование данных (кодирование, компрессия и т.п.) прикладного уровня в поток информации для транспортного уровня. Протоколы уровня представления обычно являются составной частью функций 3-х верхних уровней модели

Уровень 7, прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.

Типы кабелей: 1) AUI. 2) «Толстый» коаксиальный кабель. 3) «тонкий» коаксиальный кабель

4) витая пара 5) оптический кабель

Вопрос 14

Каждый компьютер в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней:

· Локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, такие как Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.

· IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами.

Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла - гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

· Символьный идентификатор-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

 

В локальных сетях, основанных на протоколе IPv4, могут использоваться специальные адреса, назначенные IANA (стандарты RFC 1918 и RFC 1597):

§ 10.0.0.0—10.255.255.255;

§ 172.16.0.0—172.31.255.255;

§ 192.168.0.0—192.168.255.255.

Такие адреса называют частными, внутренними, локальными или «серыми»; эти адреса не доступны из сети Интернет. Необходимость использовать такие адреса возникла из-за того, что при разработке протокола IP не предусматривалось столь широкое его распространение, и постепенно адресов стало не хватать. Для решения этой проблемы был разработан протокол IPv6, однако он пока малопопулярен.

Конфликт IP адресов — распространённая ситуация в локальной сети, при которой в одной IP-подсети оказываются два или более компьютеров с одинаковыми IP-адресами. Для предотвращения таких ситуаций и облегчения работы сетевых администраторов применяется протокол DHCP, позволяющий компьютерам автоматически получать IP-адрес и другие параметры, необходимые для работы в сети TCP/IP.

 

Необходимость преобразования адресов:

ARP (англ. Address Resolution Protocol — протокол определения адреса) — протокол канального уровня, предназначенный для определения MAC-адреса по известному IP-адресу. Наибольшее распространение этот протокол получил благодаря повсеместности сетей IP, построенных поверх Ethernet, поскольку практически в 100 % случаев при таком сочетании используется ARP.

Протокол преобразования адресов (Address Resolution Protocol, или ARP) позволяет узлу сети узнать физический адрес узла-получателя, подключенного к той же физической сети, зная только его IP-адрес.

 

Существуют следующие типы сообщений ARP: запрос ARP (ARP request) и ответ ARP (ARP reply). Система-отправитель при помощи запроса ARP запрашивает физический адрес системы-получателя. Ответ (физический адрес узла-получателя) приходит в виде ответа ARP.

Перед тем как передать пакет сетевого уровня через сегмент Ethernet, сетевой стек проверяет кэш ARP, чтобы выяснить, не зарегистрирована ли в нём уже нужная информация об узле-получателе. Если такой записи в кэше ARP нет, то выполняется широковещательный запрос ARP. Этот запрос для устройств в сети имеет следующий смысл: «Кто-нибудь знает физический адрес устройства, обладающего следующим IP-адресом?» Когда получатель с этим IP-адресом примет этот пакет, то должен будет ответить: «Да, это мой IP-адрес. Мой физический адрес следующий: …» После этого отправитель обновит свой кэш ARP и будет способен передать информацию получателю.

 

ARP является низкоуровневым сетевым протоколом, который позволяет скрыть особенности используемого сетевого оборудования благодаря назначению узлам сети уникальных IP-адресов. ARP следует рассматривать как неотъемлемую составную часть физической сетевой системы.

Ниже проиллюстрирована структура пакета, используемого в запросах и ответах ARP. В сетях Ethernet в этих пакетах используется EtherType 0x0806, и рассылаются широковещательно MAC-адрес — FF:FF:FF:FF:FF:FF. Отметим, что в структуре пакета, показанной ниже в качестве SHA, SPA, THA, & TPA условно используются 32-битныеслова — реальная длина определяется физическим устройством и протоколом.

+ Bits 0 — 7 8 — 15 16 — 31   Hardware type (HTYPE) Protocol type (PTYPE)   Hardware length (HLEN) Protocol length (PLEN) Operation (OPER)   Sender hardware address (SHA) ? Sender protocol address (SPA) ? Target hardware address (THA) ? Target protocol address (TPA)

Hardware type (HTYPE)

Каждый транспортный протокол передачи данных имеет свой номер, который хранится в этом поле. Например, Ethernet имеет номер 0x0001.

Protocol type (PTYPE)

Код протокола. Например, для IPv4 будет записано 0x0800.

Hardware length (HLEN)

Длина физического адреса в байтах. Ethernet адреса имеют длину 6 байт.

Protocol length (PLEN)

Длина логического адреса в байтах. IPv4 адреса имеют длину 4 байта.

Operation

Код операции отправителя: 1 в случае запроса и 2 в случае ответа.

Sender hardware address (SHA)

Физический адрес отправителя.

Sender protocol address (SPA)

Логический адрес отправителя.

Target hardware address (THA)

Физический адрес получателя. Поле пусто при запросе.

Target protocol address (TPA)

Логический адрес получателя.

ARP кэш

Эффективность функционирования ARP во многом зависит от ARP кэша (ARP cache), который присутствует на каждом хосте.

В кэше содержатся IP адреса и соответствующие им аппаратные адреса.

Стандартное время жизни каждой записи в кэше составляет 2 минуты с момента создания записи.

 

ARP Оповещение

ARP оповещение (ARP Announcement) — это пакет (обычно ARP запрос) содержащий корректную SHA и SPA хоста-отправителя, с TPA равной SPA. Это не разрешающий запрос, а запрос на обновление ARP-кеша других хостов, получающих пакет.

Вопрос 15

Адресация IPv4

Классическая адресная схема протокола IP.

Изначально все адресное пространство разделили на пять классов: A, B, C, D и Е. Такая схема получила название "классовой". Каждый класс однозначно идентифицировался первыми битами левого байта адреса. Сами же классы отличались размерами сетевой и узловой частей. Зная класс адреса, вы могли определить границу между его сетевой и узловой частями. Кроме того, такая схема позволяла при маршрутизации не передавать вместе с пакетом информацию о длине сетевой части IP-адреса.

Класс А
Номер бита				24 31
Адрес	0.......	........	........	........
Сетевая часть
Класс В
Номер бита				24 31
Адрес	10......	........	........	........
Сетевая часть
Класс С
Номер бита				24 31
Адрес	110.....	........	........	........
Сетевая часть
Класс D
Номер бита				24 31
Адрес	1110....	........	........	........
Класс E
Номер бита				24 31
Адрес	1111....	........	........	........

Для IP-протокола версии 4 каждый узел TCP/IP определяется логическим IP-адресом. IP-адрес - это адрес сетевого уровня, не зависящий от адреса уровня канала данных (например, MAC-адреса сетевого адаптера). Уникальный IP-адрес требуется для каждого узла и компонента сети, который соединяется по протоколу TCP/IP, и его можно назначить вручную или с помощью протокола DHCP. Каждый IP-адрес включает идентификатор сети и идентификатор сетевого узла.

Синтаксис адреса IPv4. IP-адрес состоит из 32 бит. Вместо выражения адресов IPv4 в виде 32 бит в двоичной записи (основание₂) используется стандартное разделение 32-битного адреса IPv4 на четыре 8-битных поля - октета. Каждый октет преобразуется в десятичное число (с основанием 10) от 0 до 255 с разделителем-точкой. Такой формат называется десятичное представление с точками. В следующей таблице содержится пример IP-адреса в двоичном и десятичном представлении с точками.

Типы адресов IPv4Согласно стандартам Интернета, существуют следующие типы адресов IPv4:

· Индивидуальный. Назначается одному сетевому интерфейсу, расположенному в определенной подсети данной сети, и используется для подключений типа «точка-точка».

· Групповой. Назначается одному или нескольким сетевым интерфейсам в различных подсетях данной сети, и используется для подключений типа «точка - многие точки».

· Широковещательный. Назначается всем сетевым интерфейсам, расположенным в подсети данной сети, и используется для подключений типа «точка - все точки подсети».

Индивидуальные адреса IPv4определяет расположение интерфейса в сети аналогично тому, как улица и номер дома определяют расположение здания в городском квартале. Точно так же, как улица и номер дома должны определять уникальное здание, индивидуальный адрес IPv4 должен быть уникальным по всей сети и иметь унифицированный формат.

· Идентификатор сети (также называется адресом сети) - это фиксированная часть индивидуального адреса IPv4, которая определяет набор интерфейсов, расположенных в одном сегменте физической или логической сети, ограниченной маршрутизаторами IPv4. Сегмент в сети TCP/IP называется подсетью. Все системы в одной физической или логической подсети должны иметь одинаковый идентификатор сети, уникальный для всей сети TCP/IP.

· Идентификатор сетевого узла (также называется адресом сетевого узла) - это изменяемая часть индивидуального адреса IPv4, которая используется для определения интерфейса сетевого узла в подсети. Идентификатор сетевого узла должен быть уникальным для идентификатора сети.

Групповые адреса IPv4используются для единичной доставки пакета от одного адреса нескольким адресам. Групповые адреса IPv4 определяются классом D адресов Интернета: 224.0.0.0/4. Групповые адреса IPv4 входят в диапазон от 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Групповые адреса IPv4 для префикса адреса 224.0.0.0/24 (224.0.0.0–224.0.0.255) зарезервированы для группового трафика локальной подсети.

Широковещательные адреса IPv4Протокол IPv4 использует набор широковещательных адресов для обеспечения доставки от одного адреса всем адресам в рамках подсети. Пакеты, отправляемые на широковещательные адреса IPv4, обрабатываются всеми интерфейсами подсети. Ниже приведены различные типы широковещательных адресов IPv4.

· Широковещательный адрес сети. Образуется путем установки равными 1 всех бит узла для префикса адреса сети с делением на классы. Примером широковещательного адреса сети для идентификатора сети с делением на классы 131.107.0.0/16 может служить адрес 131.107.255.255. Широковещательные адреса сети служат для рассылки пакетов на все интерфейсы сети с делением на классы. Маршрутизаторы IPv4 не переадресуют пакеты с широковещательных адресов сети.

· Широковещательный адрес подсети. Образуется путем установки равными 1 всех бит узла для префикса адреса бесклассовой сети. Примером широковещательного адреса сети для идентификатора бесклассовой сети 131.107.26.0/24 может служить адрес 131.107.26.255. Широковещательные адреса подсети служат для рассылки пакетов на все интерфейсы сети, не имеющей деления на классы.

· Широковещательный адрес, ориентированный на все подсети. Образуется путем установки всех бит узла идентификатора исходной сети с делением на классы для префикса адреса бесклассовой сети равными 1. Пакет, посланный на адрес, который ориентирован на все подсети, должен достичь всех узлов всех подсетей идентификатора структурированной сети с делением на классы. Примером широковещательного адреса на все подсети для идентификатора структурированной сети 131.107.26.0/24 может служить 131.107.255.255.

· Адрес ограниченного широковещания. Образуется путем установки всех 32 бит адреса IPv4 равным 1 (255.255.255.255). Адрес ограниченного широковещания используется для доставки пакетов с одного адреса всем адресам локальной подсети, когда идентификатор локальной сети неизвестен

Организация подсетей

Очень редко в локальную вычислительную сеть входит более 100-200 узлов: даже если взять сеть с б о льшим количеством узлов, многие сетевые среды накладывают ограничения, например, в 1024 узла. Исходя из этого, целесообразность использования сетей класса А и В весьма сомнительна. Да и использование класса С для сетей, состоящих из 20-30 узлов, тоже является расточительством.Для решения этих проблем в двухуровневую иерархию IP-адресов (сеть -- узел) была введена новая составляющая -- подсеть. Идея заключается в "заимствовании" нескольких битов из узловой части адреса для определения подсети.Полный префикс сети, состоящий из сетевого префикса и номера подсети, получил название расширенного сетевого префикса. Двоичное число, и его десятичный эквивалент, содержащее единицы в разрядах, относящихся к расширенному сетевому префиксу, а в остальных разрядах -- нули, назвали маской подсети.

		Сетевой префикс	подсеть	узел
IP адрес	144.144.19.22
Маска	255.255.255.0
		Расширенный сетевой префикс

Классовая и бесклассовая адресация

Классовая IP адресация — это метод IP-адресации, который не позволяет рационально использовать ограниченный ресурс уникальных IP-адресов, т.к. не возможно использование различных масок подсетей. В классовом методе адресации используется фиксированная маска подсети, поэтому класс сети (см. выше) всегда можно идентифицировать по первым битам.

Бесклассовая IP адресация ( Classless Inter-Domain Routing — CIDR) — это метод IP-адресации, который позволяет рационально управлять пространством IP адресов. В бесклассовом методе адресации используются маски подсети переменной длины (variable length subnet mask — VLSM).

Назначение маски подсети

Каждый IP-адрес состоит из двух частей. Как узлы определяют, где сетевая часть, а где адрес узла? Для этого используется маска подсети.

При настройке IP узлу присваивается не только IP-адрес, но и маска подсети. Как и IP-адрес, маска состоит из 32 бит. Она определяет, какая часть IP-адреса относится к сети, а какая – к узлу.

Маска сравнивается с IP-адресом побитно, слева направо. В маске подсети единицы соответствуют сетевой части, а нули — адресу узла.

Отправляя пакет, узел сравнивает маску подсети со своим IP-адресом и адресом назначения. Если биты сетевой части совпадают, значит, узлы источника и назначения находятся в одной и той же сети, и пакет доставляется локально. Если нет, отправляющий узел передает пакет на интерфейс локального маршрутизатора для отправки в другую сеть.

Чтобы вычислить количество возможных сетевых узлов, нужно взять количество отведенных для них бит в степени 2 (2 ^ 8 = 256). Из полученного результата необходимо вычесть 2 (256-2). Дело в том, что состоящая из одних единиц (1) отведенная узлам часть IP-адреса предназначена для адреса широковещательной рассылки и не может принадлежать одному узлу. Часть, состоящая только из нулей, является идентификатором сети и тоже не может быть присвоена конкретному узлу.

В 16-битной маске для адресов узлов отводится 16 бит (два октета), и в одном из них все значения могут быть равны 1 (255). Это может быть и адрес широковещательной рассылки, но если другой октет не состоит из одних единиц, адрес можно использовать для узла. Не забывайте, что узел проверяет значения всех бит, а не значения одного октета.

Компактная запись IPv6-адресов

В IPv6 длина адреса расширена до 128 бит (в IPv4 32 бита), что и позволяет увеличить адресное пространство до 2¹²⁸.

Адреса в компактной форме записываются в виде 8 шестнадцатеричных чисел (x:x:x:x:x:x:x:x).

Примеры:

FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210

Типы адресов.

· Unicast - адресация точка-точка.

· Anycast - пакет достигает один из указанных адресов. Multicast - групповая адресация.В IPv6 нет broadcast адресов, в отличии от IPv4.

Вопрос 16

Межсетевой протокол IP

Протокол, который определяет ненадежную доставку без установления соединения, называется межсетевым протоколом IP, и обеспечивает определение важных постулатов:

•протокол IP определяет базовый элемент передачи данных, используемый во всем Интернет TCP/IP; •программное обеспечение IP выполняет функцию маршрутизации, выбора пути, по которому будут передаваться данные;

•кроме спецификации форматов данных и функции маршрутизации, IP включает набор правил, которые воплощают в жизнь идею ненадежной доставки пакетов.