Раздел 3. Логический расчет сети

Адресация в сети

Передача данных в Интернете основана на принципе коммутации пакетов, в соответствии с которым поток данных, передаваемых от одного узла к другому, разбивается на пакеты, передающиеся в общем случае через систему коммуникаций и маршрутизаторов независимо друг от друга и вновь собирающиеся на приемной стороне. За это отвечают протоколы TCP/IP. Информация в TCP/IP передается пакетами со стандартизованной структурой, называемыми IP-дейтаграммами (IP Datagram), имеющими поле заголовка (IP Datagram Header) и поле данных (IP Datagram Data). Конечные узлы — отправители и получатели информации, называются хостами (host), промежуточные устройства, оперирующие IP-пакетами (анализирующие и модифицирующие информацию IP-заголовков), называют шлюзами (gateway).

Каждый компьютер в сети 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. Соответствие между локальным и аппаратным адресом устанавливается в случае Ethernet-технологии с помощью протокола ARP (Address Resolution Protocol). Физически все кадры (фреймы) на канальном уровне (в физической среде) передаются по аппаратным физическим адресам.

• 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.

• IP-адрес (Internet Protocol Address) — уникальный идентификатор устройства (обычно компьютера), подключённого к локальной сети или Интернету. Это логический адрес, который нужен для передачи пакета из сети отправителя в сеть получателя. IP-адрес представляет собой 32-битовое (по версии IPv4) или 128-битовое (по версии IPv6) двоичное число. Удобной формой записи IP-адреса (IPv4) является запись в виде четырёх десятичных чисел (от 0 до 255), разделённых точками, например, 128.10.2.30 (10000000 00001010 00000010 00011110 — двоичная форма представления этого же адреса). IP-адреса представляют собой основной тип адресов, на основании которых сетевой уровень протокола IP передаёт пакеты между сетями. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Если же сеть должна работать как составная часть Интернета, то адрес сети выдаётся провайдером либо региональным интернет-регистратором (Regional Internet Registry, RIR). Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей. Поэтому каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP-адрес. Конечный узел также может входить в несколько IP-сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

Сети класса D предназначены для группового (multicast) вещания. Класс Е обозначен как резерв для будущих применений.

Для определения номера сети, которой принадлежит данный узел, надо IP-адрес узла побитно умножить (логическое умножение) на маску сети.

Произвольно выбранные адреса данной сети могут совпасть с централизовано назначенными адресами Интернета. Для того, чтобы этого избежать в стандартах Интернета определено несколько так называемых частных адресов, рекомендуемых для автономного использования:

• в классе А — сеть 10.0.0.0;

• в классе В — диапазон из 16 номеров сетей 172.16.0.0-172.31.0.0;

• в классе С — диапазон из 255 сетей - 192.168.0.0-192.168.255.0.

В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов:

1. если IР-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет;

2. если в поле номера сети стоят 0, то по умолчанию считается, что этот узел принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет;

3. если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast);

4. пакет, имеющий адрес, целиком состоящий из 1, рассылается всем узлам сети с заданным номером. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast). В протоколе IP нет понятия широковещательности в том смысле, в котором оно используется в протоколах канального уровня локальных сетей, когда данные должны быть доставлены абсолютно всем узлам. Как ограниченный широковещательный IP-адрес, так и широковещательный IP-адрес имеют пределы распространения в интерсети - они ограничены либо сетью, к которой принадлежит узел - источник пакета, либо сетью, номер которой указан в адресе назначения. Поэтому деление сети с помощью маршрутизаторов на части локализует широковещательный шторм пределами одной из составляющих общую сеть частей просто потому, что нет способа адресовать пакет одновременно всем узлам всех сетей составной сети.

5. адрес 127.0.0.1 зарезервирован для организации обратной связи при тестировании работы программного обеспечения узла без реальной отправки пакета по сети. Этот адрес имеет название loopback.

Логические IP адреса нужны для того, чтобы передавать фреймы из одной сети в другую – это задача маршрутизации.

Маска подсети

Маска выполняет 2 главные функции:

• с ее помощью определяется номер сети (подсети);

• с ее помощью можно разбивать сеть на подсети.

Для каждого класса IP-адресов существует стандартная маска (см. предыдущую таблицу). Если выбрана стандартная маска, то разбиение на подсети не производится. С помощью маски можно определить количество узлов в сети. Например, в сети класса С под адрес узла отводится последние 8 бит IP-адреса. Таким образом, можно составить 256 двоичных номера для узлов этой сети. Однако, комбинацию 00000000 использовать нельзя: она обозначает саму сеть, а не узел; комбинация 11111111 используется для широковещания в этой сети. Широковещательный адрес указывает на то, к каким узлам в данной сети происходит широковещательный запрос. Наличие числа 255 в последнем октете адреса указывает на то, что широковещательный запрос предназначается всем в данной сети, если даже последняя разбита на подсети.

Поэтому в сети класса С (при стандартной маске) может быть 254 узла.

С помощью маски и IP-адреса можно определить, номер сети, которой принадлежит данный узел: для этого надо выполнить побитное логическое умножение IP-адреса узла на маску (в двоичном представлении).

Для повышения пропускной способности сети применяют сегментацию — уменьшение числа узлов, входящих в домен коллизий. Сеть удается отвести от той степени загрузки, когда из-за коллизий ее производительность деградирует катастрофически. Сегментация производится с помощью мостов или коммутаторов, соединяющих сегменты сети.

Чтобы разбить сеть на подсети вводится маска подсети. Рассмотрим стандартную маску: 255.255.255.0 или в двоичном виде 11111111 11111111 11111111 00000000. Выделим 3 бита последнего октета на номер подсети. Тогда можно составить 6 двоичных комбинаций для номеров подсетей (комбинации 000 и 111 нельзя использовать): 001 00000; 010 00000; 011 00000; 100 00000; 101 00000; 110 00000. Оставшиеся 5 бит используются для нумерации узлов соответствующей подсети: всего по 30 узлов в каждой подсети (номера 00000 и 11111 использовать нельзя, т.к. 00000 дает номер подсети, а 11111 – широковещательный адрес подсети). Т.е. если сеть состоит из ≤ 6 подсетей, в каждой из которых ≤ 30 узлов, то для них можно использовать маску 11111111 11111111 11111111 11100000 (или в десятичной форме 255.255.255.224).

Логический расчет сети

Определим адресное пространство первой сети. Допустим сеть №1 имеет номер 10.33.8.0. Сеть состоит из 5 подсетей. Для подсетей будем использовать маску подсети 255.255.255.224. Разные маски в разных подсетях одной сети использовать нельзя, т.к. тогда пространство IP-адресов будет перекрываться. Маска сети 255.255.255.0.

Широковещательный адрес 1 сети 10.33.8.255. Этот адрес предполагает возможность обращения ко всем узлам сети. Широковещательный адрес для подсетей тоже – 10.33.8.255, чтобы узлы подсетей могли обращаться ко всей сети.

Определим адресное пространство второй сети. Допустим сеть №2 имеет номер 10.33.9.0. Сеть состоит из 6 подсетей. Для подсетей будем использовать маску подсети 255.255.255.224. Маска сети 255.255.255.0.