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