Лекция 9.

Начнем изучение сетевого уровня Интернета с формата IP-дейтаграмм. IP-дейтаграмма состоит из заголовка и текстовой части. Заголовок содержит фиксированную 20-байтовую часть и необязательную часть переменной длины. Формат заголовка показан на рис. 5.39. Он передается слева направо, то есть старший бит поля Версия передается первым. (В процессоре SPARC байты располагаются слева направо, в процессоре Pentium - наоборот - справа налево.) На машинах, у которых старший байт располагается после младшего, как, например, у семейства процессоров корпорации Intel, требуется программное преобразование как при передаче, так и при приеме.

Рис.: Заголовок IP-дейтаграммы

Поле Версия содержит версию протокола, к которому принадлежит дейтаграмма. Включение версии в каждую дейтаграмму позволяет использовать разные версии протокола на разных машинах.

Поле IHL содержит длину заголовка в 32-разрядных словах. Минимальное значение длины (при отсутствии необязательного поля) равно 5. Максимальное значение этого 4-битового поля равно 5, что соответствует заголовку длиной 60 байт, таким образом, максимальный размер необязательного поля равен 40 байтам. Для некоторых приложений, например для записи маршрута, по которому должен быть переслан пакет, 40 байт слишком мало.

Поле Тип службы позволяет хосту указать подсети, какой вид сервиса ему нужен. Возможны различные комбинации надежности и скорости. Для оцифрованного голоса скорость доставки важнее точности. Для передачи файла, наоборот, передача без ошибок важнее быстрой доставки.

Само 8-разрядное поле Тип службы состоит из трехбитового поля Precedence, трех флагов, D, Т и R и двух неиспользуемых битов. Поле Precedence является приоритетом, от 0 (нормальный) до 7 (управляющий сетевой пакет). Три флаговых бита позволяют хосту указать, что беспокоит его сильнее всего, выбрав из набора {Delay, Throughput, Reliability} (задержка, пропускная способность, надежность). В теории эти поля позволяют маршрутизаторам выбрать между спутниковой линией с высокой пропускной способностью и большой задержкой и выделенной линией с низкой пропускной способностью и небольшой задержкой. На практике сегодняшние маршрутизаторы игнорируют поле Тип службы полностью.

Поле Полная длина включает всю дейтаграмму, заголовок плюс данные. Максимальная длина дейтаграммы 65 535 байт. В настоящий момент этот верхний предел достаточен, однако с появлением гигабитных сетей могут понадобиться дейтаграммы большего размера.

Поле Идентификатор позволяет хосту-получателю определить, какой дейтаграмме принадлежат полученные им фрагменты. Все фрагменты дейтаграммы содержат то же самое значение идентификатора.

Следом идет неиспользуемый бит и два однобитовых поля. Бит DF означает Don't Fragment (не фрагментировать), то есть команду маршрутизатору не фрагментировать дейтаграмму, так как получатель не сможет восстановить ее из фрагментов. Например, при загрузке компьютера его ПЗУ может запросить переслать по сети ему образ памяти в виде единой дейтаграммы. Пометив дейтаграмму битом DF, отправитель гарантирует, что дейтаграмма дойдет единым куском, даже если для ее доставки придется избегать сетей с маленьким размером пакетов. От всех машин требуется способность принимать фрагменты размером 576 байт и менее.

Бит MF означает More Fragments (продолжение следует). Он устанавливается у всех фрагментов, кроме последнего. По этому биту получатель узнает, получил ли он все фрагменты дейтаграммы.

Поле Смещение фрагмента указывает положение фрагмента в оригинальной дейтаграмме. Длина всех фрагментов в байтах, кроме длины последнего фрагмента, должна быть кратна 8. Так как на это поле выделено 13 бит, максимальное количество фрагментов в дейтаграмме равно 8192, что дает максимальную длину дейтаграммы в 65 536 байт, что на один байт больше, чем может содержаться в поле Полная длина.

Поле Время жизни представляет собой счетчик, ограничивающий время жизни пакета. Предполагалось, что он будет отсчитывать время в секундах, таким образом, допуская максимальное время жизни пакета в 255 с. На каждом маршрутизаторе это значение должно было уменьшаться как минимум на единицу плюс время стояния в очереди. Однако на практике этот счетчик просто считает количество маршрутизаторов. Когда значение этого поля становится равным нулю, пакет отвергается, а отправителю отсылается пакет с предупреждением. Таким образом, удается избежать вечного странствования пакетов, что может произойти, если таблицы маршрутизаторов испортятся.

Собрав дейтаграмму из фрагментов, сетевой уровень должен решить, что с ней делать. Поле Протокол сообщит ему, какому процессу транспортного уровня ее передать. Это может быть TCP, UDP или какой-нибудь другой процесс. Нумерация процессов глобально стандартизирована по всему Интернету и описана в RFC 1700.

Поле Контрольная сумма заголовка защищает от ошибок только заголовок. Подобная контрольная сумма полезна для обнаружения ошибок, вызванных неисправными микросхемами памяти маршрутизаторов. Алгоритм вычисления суммы просто складывает все 16-разрядные полуслова в дополнительном коде, преобразуя результат также в дополнительный код. Таким образом, проверяемая получателем контрольная сумма заголовка (вместе с этим полем) должна быть равна нулю. Этот алгоритм надежнее, чем нормальное суммирование. Обратите внимание, что значение этого поля должно быть сосчитано заново на каждом транзитном участке, так как по крайней мере одно поле постоянно меняется (поле Время жизни), но для ускорения расчетов применяются хитрые способы.

Поля Адрес отправителя и Адрес получателя указывают номер сети и номер хоста. Адреса Интернета будут обсуждаться в следующем разделе. Размер поля Необязательная часть должен быть кратен 4 байтам. На сегодняшний день определены пять разновидностей этого поля, перечисленные в табл. 5.6, однако не все маршрутизаторы поддерживают их всех.

Таблица : Типы необязательного поля IP-дейтаграммы

Параметр Безопасность указывает уровень секретности дейтаграммы. Теоретически военный маршрутизатор может использовать это поле, чтобы запретить маршрутизацию дейтаграммы через определенные государства. На практике все маршрутизаторы игнорируют этот параметр, так что его единственное практическое применение состоит в помощи шпионам в поиске ценной информации.

Параметр Строгая маршрутизация от источника задает полный путь следования дейтаграммы от отправителя до получателя в виде последовательности IP-адресов. Дейтаграмма обязана следовать именно по этому маршруту. Наибольшая польза этого параметра заключается в возможности системному менеджеру послать экстренные пакеты, когда таблицы маршрутизатора повреждены или для тестирования сети.

Параметр Свободная маршрутизация от источника требует, чтобы пакет прошел через указанный список маршрутизаторов в указанном порядке, но при этом по пути он может проходить через любые другие маршрутизаторы. Обычно этот параметр для задания пути указывает лишь небольшое количество маршрутизаторов. Например, чтобы заставить пакет, посылаемый из Лондона в Сидней, двигаться не на восток, а на запад, этим параметром можно указать маршрутизаторы в Нью-Йорке, Лос-Анджелесе и Гонолулу. Этот параметр наиболее всего полезен, когда по политическим или экономическим соображениям следует избегать прохождения пакетов через определенные государства.

Параметр Запомнить маршрут требует от всех маршрутизаторов, встречающихся по пути следования пакета, добавлять свой IP-адрес к полю Необязательная часть. Этот параметр позволяет системным менеджерам вылавливать ошибки в алгоритмах маршрутизации ("Почему все пакеты, посылаемые из Хьюстона в Даллас, сначала попадают в Токио?"). Когда была создана сеть ARPANET, ни один пакет никогда не проходил больше чем через девять маршрутизаторов, поэтому 40 байтов для этого параметра было как раз достаточно. Как уже говорилось, сегодня размер поля Необязательная часть слишком мал.

Наконец, параметр Временной штамп действует полностью аналогично параметру Запомнить маршрут, но кроме 32-разрядного IP-адреса каждый маршрутизатор также записывает 32-разрядную запись о текущем времени. Этот параметр также применяется в основном для отладки алгоритмов маршрутизации.