Всё об IP адресах и о том, как с ними работать
Не так давно я написал свою первую статью на Хабр. В моей статье была одна неприятная шероховатость, которую моментально обнаружили, понимающие в сетевом администрировании, пользователи. Шероховатость заключается в том, что я указал неверные IP адреса в лабораторной работе. Сделал это я умышленно, так как посчитал что неопытному пользователю будет легче понять тему VLAN на более простом примере IP, но, как было, совершенно справедливо, замечено пользователями, нельзя выкладывать материал с ключевой ошибкой.
В самой статье я не стал править эту ошибку, так как убрав её будет бессмысленна вся наша дискуссия в 2 дня, но решил исправить её в отдельной статье с указание проблем и пояснением всей темы.
Для начала, стоит сказать о том, что такое IP адрес.
IP-адрес — уникальный сетевой адрес узла в компьютерной сети, построенной на основе стека протоколов TCP/IP (TCP/IP – это набор интернет-протоколов, о котором мы поговорим в дальнейших статьях). IP-адрес представляет собой серию из 32 двоичных бит (единиц и нулей). Так как человек невосприимчив к большому однородному ряду чисел, такому как этот 11100010101000100010101110011110 (здесь, к слову, 32 бита информации, так как 32 числа в двоичной системе), было решено разделить ряд на четыре 8-битных байта и получилась следующая последовательность: 11100010.10100010.00101011.10011110. Это не сильно облегчило жизнь и было решение перевести данную последовательность в, привычную нам, последовательность из четырёх чисел в десятичной системе, то есть 226.162.43.158. 4 разряда также называются октетами. Данный IP адрес определяется протоколом IPv4. По такой схеме адресации можно создать более 4 миллиардов IP-адресов.
Максимальным возможным числом в любом октете будет 255 (так как в двоичной системе это 8 единиц), а минимальным – 0.
Далее давайте разберёмся с тем, что называется классом IP (именно в этом моменте в лабораторной работе была неточность).
IP-адреса делятся на 5 классов (A, B, C, D, E). A, B и C — это классы коммерческой адресации. D – для многоадресных рассылок, а класс E – для экспериментов.
Класс А: 1.0.0.0 — 126.0.0.0, маска 255.0.0.0
Класс В: 128.0.0.0 — 191.255.0.0, маска 255.255.0.0
Класс С: 192.0.0.0 — 223.255.255.0, маска 255.255.255.0
Класс D: 224.0.0.0 — 239.255.255.255, маска 255.255.255.255
Класс Е: 240.0.0.0 — 247.255.255.255, маска 255.255.255.255
Теперь о «цвете» IP. IP бывают белые и серые (или публичные и частные). Публичным IP адресом называется IP адрес, который используется для выхода в Интернет. Адреса, используемые в локальных сетях, относят к частным. Частные IP не маршрутизируются в Интернете.
Публичные адреса назначаются публичным веб-серверам для того, чтобы человек смог попасть на этот сервер, вне зависимости от его местоположения, то есть через Интернет. Например, игровые сервера являются публичными, как и сервера Хабра и многих других веб-ресурсов.
Большое отличие частных и публичных IP адресов заключается в том, что используя частный IP адрес мы можем назначить компьютеру любой номер (главное, чтобы не было совпадающих номеров), а с публичными адресами всё не так просто. Выдача публичных адресов контролируется различными организациями.
Допустим, Вы молодой сетевой инженер и хотите дать доступ к своему серверу всем пользователям Интернета. Для этого Вам нужно получить публичный IP адрес. Чтобы его получить Вы обращаетесь к своему интернет провайдеру, и он выдаёт Вам публичный IP адрес, но из рукава он его взять не может, поэтому он обращается к локальному Интернет регистратору (LIR – Local Internet Registry), который выдаёт пачку IP адресов Вашему провайдеру, а провайдер из этой пачки выдаёт Вам один адрес. Локальный Интернет регистратор не может выдать пачку адресов из неоткуда, поэтому он обращается к региональному Интернет регистратору (RIR – Regional Internet Registry). В свою очередь региональный Интернет регистратор обращается к международной некоммерческой организации IANA (Internet Assigned Numbers Authority). Контролирует действие организации IANA компания ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers). Такой сложный процесс необходим для того, чтобы не было путаницы в публичных IP адресах.
Поскольку мы занимаемся созданием локальных вычислительных сетей (LAN — Local Area Network), мы будем пользоваться именно частными IP адресами. Для работы с ними необходимо понимать какие адреса частные, а какие нет. В таблице ниже приведены частные IP адреса, которыми мы и будем пользоваться при построении сетей.
Из вышесказанного делаем вывод, что пользоваться при создании локальной сеть следует адресами из диапазона в таблице. При использовании любых других адресов сетей, как например, 20.*.*.* или 30.*.*.* (для примера взял именно эти адреса, так как они использовались в лабе), будут большие проблемы с настройкой реальной сети.
Из таблицы частных IP адресов вы можете увидеть третий столбец, в котором написана маска подсети. Маска подсети — битовая маска, определяющая, какая часть IP-адреса узла сети относится к адресу сети, а какая — к адресу самого узла в этой сети.
У всех IP адресов есть две части сеть и узел.
Сеть – это та часть IP, которая не меняется во всей сети и все адреса устройств начинаются именно с номера сети.
Узел – это изменяющаяся часть IP. Каждое устройство имеет свой уникальный адрес в сети, он называется узлом.
Маску принято записывать двумя способами: префиксным и десятичным. Например, маска частной подсети A выглядит в десятичной записи как 255.0.0.0, но не всегда удобно пользоваться десятичной записью при составлении схемы сети. Легче записать маску как префикс, то есть /8.
Так как маска формируется добавлением слева единицы с первого октета и никак иначе, но для распознания маски нам достаточно знать количество выставленных единиц.
Таблица масок подсети
Высчитаем сколько устройств (в IP адресах — узлов) может быть в сети, где у одного компьютера адрес 172.16.13.98 /24.
172.16.13.0 – адрес сети
172.16.13.1 – адрес первого устройства в сети
172.16.13.254 – адрес последнего устройства в сети
172.16.13.255 – широковещательный IP адрес
172.16.14.0 – адрес следующей сети
Итого 254 устройства в сети
Теперь вычислим сколько устройств может быть в сети, где у одного компьютера адрес 172.16.13.98 /16.
172.16.0.0 – адрес сети
172.16.0.1 – адрес первого устройства в сети
172.16.255.254 – адрес последнего устройства в сети
172.16.255.255 – широковещательный IP адрес
172.17.0.0 – адрес следующей сети
Итого 65534 устройства в сети
В первом случае у нас получилось 254 устройства, во втором 65534, а мы заменили только номер маски.
Посмотреть различные варианты работы с масками вы можете в любом калькуляторе IP. Я рекомендую этот.
До того, как была придумана технология масок подсетей (VLSM – Variable Langhe Subnet Mask), использовались классовые сети, о которых мы говорили ранее.
Теперь стоит сказать о таких IP адресах, которые задействованы под определённые нужды.
Адрес 127.0.0.0 – 127.255.255.255 (loopback – петля на себя). Данная сеть нужна для диагностики.
169.254.0.0 – 169.254.255.255 (APIPA – Automatic Private IP Addressing). Механизм «придумывания» IP адреса. Служба APIPA генерирует IP адреса для начала работы с сетью.
Теперь, когда я объяснил тему IP, становиться ясно почему сеть, представленная в лабе, не будет работать без проблем. Этого стоит избежать, поэтому исправьте ошибки исходя из информации в этой статье.
Адресация в ip-сетях
Перенос данных между двумя узлами сети включает в себя передачу данных по сети на конечный узел, а в пределах этого узла – соответствующему процессу или пользователю. IP-адреса позволяют доставить данные нужному узлу. Номера портов и номера протоколов позволяют передавать данные нужному программному модулю (приложению) в пределах узла.
IP-адрес в версии протокола V.4 состоит из 4-х байт (32 бита), например, 109.26.17.100. Адрес записывается в виде четырех десятичных чисел, разделенных точками.
IP-адреса назначаются не компьютерам, а сетевым интерфейсам. Шлюз (маршрутизатор), входящий в несколько сетей имеет разные адреса в каждой из этих сетей. Устройства определенной сети обращаются к шлюзу по его адресу в этой сети.
Адрес IP состоит из двух частей – номер сети (net-id) и номер конечного узла — хоста внутри сети (host-id). Форматы этих частей для разных адресов разные. Количество бит в номере сети определяет класс самой сети.
Всего существует 5 классов сетей:
Адресация класса А (Class A) используется, если в сети много хостов (глобальные сети). Адрес сети всегда начинается с бита 0. Диапазон сетей класса А: 1.0.0.0 – 127.0.0.0.
Сети класса В (Class B) содержат среднее число хостов в сети. Адрес сети всегда начинается с бит 10. Диапазон сетей класса В: 128.0.0.0 – 191.255.0.0.
Сети класса С (Сlass C) содержат маленькое число хостов. Адрес сети всегда начинается с бит 110. Диапазон сетей класса С: 192.0.0.0 – 223.255.255.0.
СlassA-адреса присваивались очень давно. ClassB-адреса получить сейчас практически невозможно. ClassD-адреса зарезервированы для рассылки специальных широковещательных сообщений (broadcast) и не используются для адресации оконечных устройств. ClassE-адреса зарезервированы вообще, это экспериментальный класс. Для обычного использования остаются адреса ClassC.
В настоящее время используются технологии переменной длины адреса сети (VLSM – Variable Length Subnet Mask) и маршрутизации по бесклассовым адресам (CIDR – Classless Internet Domain Routing), которые позволяют обойти классовые ограничения адресов.
IP-адреса подразделяются еще и по типам, что позволяет упростить взаимодействие сетевого оборудования в IP-сети:
- Unicast (индивидуальный). Двух сетевых интерфейсов с одинаковыми адресами быть не должно, иначе невозможно осуществлять маршрутизацию. Для локальных сетей из классов А, В, С выделены специальные диапазоны адресов, не маршрутизируемые в сети Интернет. То есть они не являются уникальными между локальными сетями.
- 10.0.0.0 — 10.255.255.255 (одна сеть класса A или 16777216 хостов)
- 172.16.0.0 — 172.31.255.255 (шестнадцать сетей класса B или 1048576 хостов)
- 192.168.0.0 — 192.168.255.255 (256 сетей класса C или 65536 хостов)
- сеть 2001:0DB8::/32 в IPv6 — зарезервировано для примеров и документации
- Multicast (групповой). Такой адрес принадлежит классу D и служит для пересылки пакета сразу группе сетевых интерфейсов, например 224.0.0.9 – адрес всех маршрутизаторов в некоторой сети, которые работают со второй версией протокола RIP.
- Broadcast (широковещательный). Указывает на всех получателей в локальной сети. В таком адресе все биты, отведенные под адрес интерфейса (host-id), устанавливаются в единицу.
- 0.0.0.0 – используется при загрузке операционной системы;
- 127.0.0.1 – адреса, начинающиеся с 127 используются для тестирования стека TCP/IP на данном узле. Пакеты в сеть не передаются (loopback).
- Адреса частных локальных сетей (см. выше).
- Класс А: 11111111 00000000 00000000 00000000
- Класс В: 11111111 11111111 00000000 00000000
- Класс С: 11111111 11111111 11111111 00000000