Адресация в компьютерных сетях ipv4 ipv6 адресации

IP-адрес: чем отличаются v4 и v6

IP — это протокол, который объединил отдельные компьютерные сети в единую сеть Интернет. Но обычно, когда программисты говорят об «ай-пи», они подразумевают не протокол, а одну из его составляющих — IP-адрес.

Зачем нужны IP-адреса

IP-адреса нужны компьютерам сети по тем же причинам, по которым нужны адреса для зданий. По адресу один компьютер находит в сети другой, доставляет туда объект данных или запрашивает информацию. В настоящее время распространены две версии протокола: четвертая (IPv4) и шестая (IPv6). Между ними была еще версия IPv5, но она была экспериментальной.

Почему есть разные версии

Четвертая версия протокола IP появилась в 1980-х и получила широкое распространение, поэтому с соответствующей адресацией мы сталкиваемся чаще всего. Однако со временем у IPv4 выявились проблемы, и на во второй половине 1990-х началось тестирование шестой версии протокола. Главной дилеммой стало исчерпание IPv4-адресов. Но обо всем по порядку.

Как происходит адресация по стандарту IPv4

В версии IPv4 каждому узлу сети сопоставлен IP-адрес. Адрес состоит из четырех блоков, называемых октетами. Информация в октете записывается в виде целого числа от 0 до 255 (то есть 28 значений). Комбинаторика подсказывает, что так как таких блоков четыре, то общее число возможных узлов для версии IPv4 равно 232, то есть около 4.2 млрд.

Запись IPv4 адреса

Обычно октеты разделяются точками и записываются в форме десятичных чисел. Например, сайту ispmanager.ru cоответствует следующий IP-адрес: 178.250.156.213

Такая форма записи удобна для администрирования, однако маршрутизаторы воспринимают IPv4-адрес проще: как последовательность из 32 бит, то есть 32 позиций, на каждой из которых стоит ноль или единица.

IPv4-адрес в формате десятичной записи с разделением октетов точками. Каждый октет соответствует одному байту, то есть 8 битам. Весь адрес кодируется с помощью 32 бит

Кто отвечает за IP-адреса и их распределение между узлами сети

Организации, ответственные за распределение IP имеют иерархическую структуру связей. Корневой организацией являются IANA, та делегирует распределение адресов пяти Региональным интернет-регистраторам (англ. Regional Internet Registry, сокр. RIR), те – национальным интернет-регистраторам (NIR) и так далее.

Как URL преобразуется в IP-адрес

Хотя вся адресация в интернете устроена с помощью IP-адресов, обычным пользователям интернета не приходится об этом думать. Вместо этого мы пользуемся поисковиками и URL-ссылками. Специализированные серверы DNS умеют сопоставлять URL и IP-адрес и подсказывают устройству, с какого IP запросить данные.

Что такое маска подсети

Для организация сети необходима некоторая иерархия — было бы полезно, если бы по IP-адресу можно было бы определить, к какой подсети он относится. Так как подсети могут иметь разный размер, в современном вебе принята организация, которую называют бесклассовой:

• компьютеры в подсетях имеют общие начальные биты адреса;
• общее количество бит, выделенное для подсети, называется маской;
• маску записывают после адреса через косую черту.

Так, запись вида a.b.c.d/8 означает, что первые 8 бит (октет a code>) соответствуют адресу подсети, а остальные 24 бита (три остальных октета b.c.d ) используются для адресации узлов подсети. Множество всех IPv4-адресов соответствуют маске /0 , а отдельный уникальный адрес — маске /32 .

Зарезервированные IPv4-адреса

Существует множество IPv4-адресов, которые зарезервированы для специальных целей и не предназначены для пересылки данных между узлами. Вот несколько примеров, с которыми часто сталкиваются веб-разработчики:

• 0.0.0.0/8 — адреса источников пакетов «своей» сети;
• 127.0.0.0/8 — localhost, подсеть для коммуникаций внутри хоста. Такие пакеты не проходят через сетевую карту, а сами адреса используются, чтобы программы на устройстве могли общаться друг с другом;
• 192.168.0.0/16 — для использования в частных сетях.

Зачем же нужен IPv6

С развитием интернета растет количество узлов сети, но протокол IP подразумевает конечное количество адресов. В 1996 году в эксплуатацию введена шестая версия протокола IP, которая предоставляет существенно более широкое адресное пространство. Против 32 бит у IPv4 каждый IPv6-адрес имеет длину 128 бит. Введение нового протокола было оправданным решением: 25 ноября 2019 были распределены последние свободные IPv4-адреса, и теперь получить IPv4-адрес можно только если его освободит текущий владелец.

Как выглядят IPv6-адреса

Адреса IPv6 отображаются в виде восьми блоков из четырех цифр в шестнадцатеричной записи. Блоки называются хекстетами и разделяются двоеточиями:

Так как запись длинная, введены два правила для упрощения записей:

1. Если в хекстете есть ведущие нули, их можно удалить.
2. Самая длинная группа, состоящая полностью из нулевых хекстетов и двоеточий заменяется на двойное двоеточие. Такая замена для однозначности расшифровки IPv6 адреса может проводиться только один раз.

Приведем пару примеров сокращения:

2001:0db8:0000:0000:0000:0000:ae21:ad12 → 2001:db8::ae21:ad12

Здесь во втором хекстете опущен ведущий нуль, а группа из четырех смежных нулевых хекстетов заменена на символ двойного двоеточия.

0000:0000:0000:0000:0000:0000:ae21:ad12 → ::ae21:ad12

В этом примере группа из шести нулевых хекстетов заменена на символ двойного двоеточия.

Если адрес используется в URL, его необходимо заключать в квадратные скобки:

http://[2001:0db8:11a3:09d7:1f34:8a2e:07a0:765d]/

При необходимости указания порта он указывается после скобок:

http://[2001:0db8:11a3:09d7:1f34:8a2e:07a0:765d]:8080/

Зарезервированные IPv6-адреса

Так же, как и у четвертой версии, в протоколе IP шестой версии есть адреса, которые не используются для маршрутизации. Например:

• :: — аналогичен адресу 0.0.0.0 для IPv4,
• ::1 — соответствует 127.0.0.0/8 для IPv4,
• 2001:0db8:: — адрес зарезервирован для документации и использования в примерах.

Какие еще проблемы решает IPv6

Как мы упомянули выше, IP — это не только адреса, но и протокол. В шестой версии протокола были убраны ограничения и проверки, которые усложняли работу маршрутизаторов — устройств, за счет которых происходит передача информации в интернете. Таблицу с подробным сравнением особенностей двух протоколов можно посмотреть на сайте IBM .

Почему IPv6 не так уж популярен

Доля IPv6-адресов в России не превышает 10%. Провайдерам для поддержки нового протокола нужно покупать и профессионально настраивать новое оборудование. При этом приходится параллельно поддерживать и протокол IPv4, так как IPv6 не имеет обратной совместимости с IPv4. Но переход на IPv6 лишь дело времени — с каждым годом растет доля сетевых устройств, поддерживающих IPv6.

Напишите в сообщество в «Телеграм», если вам интересно подробнее разобраться в каждом из типов адресов, протоколов или каких-то смежных вопросах.

Источник

2.3 Основы адресации в ip-сетях

Одной из главных проблем, которую нужно разрешить при объединении компьютеров в сеть, является проблема их адресации. К адресу узла сети и схеме его назначения можно предъявить несколько требований [19]:

1. Адрес должен уникально идентифицировать компьютер в сети любого масштаба.

2. Адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей. Эту проблему хорошо иллюстрируют международные почтовые адреса, которые позволяют почтовой службе, организующей доставку писем между странами, пользоваться только названием страны адресата и не учитывать название его города, а тем более улицы. В больших сетях, состоящих из многих тысяч узлов, отсутствие иерархии адреса может привести к крупным издержкам: конечным узлам и коммуникационному оборудованию придется оперировать с таблицами адресов, состоящими из тысяч записей.

3. Адрес должен быть удобен для пользователей сети, а это значит, что он должен иметь символьное представление и, по возможности, смысловую нагрузку.

4. Адрес должен иметь по возможности компактное представление, чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры – сетевых адаптеров, коммутаторов, маршрутизаторов и т. п.

Нетрудно заметить, что эти требования противоречивы: например, адрес, имеющий иерархическую структуру, скорее всего, будет менее компактным, чем неиерархический (такой адрес часто называют «плоским», то есть не имеющим структуры). Символьный же адрес, вероятно, потребует больше памяти, чем адрес-число.

Так как все перечисленные требования трудно совместить в рамках какой-либо одной схемы адресации, то на практике обычно используется сразу несколько схем, так что компьютер одновременно имеет несколько адресов, каждый из которых работает в соответствующей ситуации, а чтобы не возникало путаницы и компьютер всегда однозначно определялся своим адресом, используются специальные вспомогательные протоколы, которые по адресу одного типа могут определить адреса других типов.

В настоящее время известны следующие системы адресации:

1) составные числовые адреса;

В данном параграфе мы подробно разберем достоинства первой системы адресации (остальные системы будут рассмотрены в следующем параграфе).

Составные числовые адреса предназначены для однозначной адресации компьютера в сети любого масштаба, состоящей из подсетей. В адресах такого типа поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть – номер сети – и младшую – номер узла. Такое деление позволяет передавать сообщения между сетями только на основании номера сети, а номер узла используется только после доставки сообщения в нужную сеть; точно так же, как название улицы рассматривается почтальоном только после того, как письмо доставлено в нужный город. Типичные представители адресов этого типа – IP-адреса. Аналогично протоколам существуют адреса IPv4 и IPv6.

2.3.1 Адресация iPv4

Адреса IPv4 при выражении в десятичной системе используют точечное десятичное представление и принимают форму n.n.n.n, в которой n для каждого значения неизменно находится в диапазоне от 0 до 255. Так, IP-адрес крупнейшего российского почтового сервера в сети Интернет www.mail.ru имеет вид 194.67.57.26. Существуют некоторые ограничения на использование чисел: первое число в IP-адресе должно находиться в диапазоне от 1 до 223, а последнее – от 1 до 254, два числа в середине IP-адреса могут находиться в диапазоне от 0 до 255. Каждое из четырех чисел состоит из 8 бит и в стандартной терминологии IP-адресов называется октетом (octet). Следовательно, каждый из октетов представляет собой восьмизначное двоичное число, а IP-адрес целиком – тридцатидвухбитовую комбинацию нулей и единиц. Например, IP-адрес 128.10.2.30 имеет представление в двоичном формате: 10000000.00001010.00000010.00011110.

Запись адреса не предусматривает специального разграничительного знака между номером сети и номером узла. Вместе с тем при передаче пакета по сети часто возникает необходимость разделить адрес на эти две части. Так, маршрутизация, как правило, осуществляется на основании номера сети, поэтому каждый маршрутизатор, получая пакет, должен прочитать в соответст­вующем поле заголовок адрес назначения и выделить из него номер сети. Существует несколько подходов для определения, какая часть из 32 бит, отведенных под IP-адрес, относится к номеру сети (сетевая часть адреса), а какая – к номеру узла (хостовая часть адреса). Мы рассмотрим два основных подхода для адресации с помощью IPv4 [31]:

Для того чтобы проанализировать названные выше подходы адресации, необходимо определить понятие Маска подсети, которое обозначает число, применяемое в паре с IP-адресом, причем двоичная за­пись маски содержит непрерывную последовательность единиц в тех разря­дах, которые должны в IP-адресе интерпретироваться как номер сети. Гра­ница между последовательностями единиц и нулей в маске соответствует границе между номером сети и номером узла в IP-адресе.

При упрощенном подходе используется двухуровневая адресация, так как выделяется фиксированная граница для разделения адреса на сетевую и хостовую часть, то есть адрес компьютера состоит только из двух частей: сетевой и хостовой. Все 32-х-битовое поле адреса заранее делится на две части не обязательно равной, но фиксированной длины, в одной из которых всегда будет разме­щаться номер сети, а в другой – номер узла. Маска подсети принимает только 2 значения: либо 0, либо 255, которые устанавливаются в следующем порядке: 255 устанавливается под октетами, описывающими адрес сети (постоянная часть), а 0 устанавливается под октетами, описывающими адрес узла (переменная часть). Приведем пример двухуровневой архитектуры. Например, IP-адреса 128.10.2.30 и 128.10.3.30 имеют следующее представление в двоичном формате:

Так как у указанных IP-адресов изменяются последние два октета, то маска подсети будет выглядеть так: 255.255.0.0, а в двоичном виде выглядит – 11111111.11111111.00000000.00000000. Сопоставление адресов и маски подсети представлено в табл. 2.4.

Таблица 2.4 – Деление IP-адреса в соответствии с двухуровневой архитектурой

Источник