Сетевой уровень TCP/IP
Уровень приложений включает в себя множество протоколов. Транспортный уровень включает меньшее количество протоколов (в первую очередь TCP и UDP). Сетевой уровень TCP/IP включает в себя очень небольшое количество протоколов, но только один основной протокол: IP (Internet Protocol, Интернет-протокол). Фактически, название TCP/IP – это просто названия двух наиболее распространенных протоколов (TCP и IP), разделенные знаком /.
IP обеспечивает несколько функций, в первую очередь адресацию и маршрутизацию. Этот раздел начинается со сравнения IP-адресации и маршрутизации с другой широко известной системой, использующей адресацию и маршрутизацию: почтовой службой. Затем в данном разделе рассказывается об IP-адресации и маршрутизации (более подробная информация представлена в главе 3 «Основы WAN и IP-маршрутизации»).
Интернет-протокол и почтовая служба
Представьте, что вы только что написали два письма: одно другу на другом конце страны и одно другу на другом конце города. Вы указали на конвертах адреса, приклеили марки и готовы отдать обоих на почту. Есть ли разница в том, как вы поступите с каждым письмом? На самом деле, нет. Обычно вы просто кладете их в один почтовый ящик и ожидаете, что почтовая служба доставит оба письма.
Но почтовая служба должна думать о каждом письме отдельно, а затем принимать решение о том, куда отправить каждое письмо, чтобы оно было доставлено. Что касается письма, пересылаемого внутри города, людям в местном почтовом отделении, вероятно, просто нужно переместить письмо в другой грузовик.
В случае с письмом, которое должно пересечь страну, почтовая служба отправляет его в другое почтовое отделение, затем в другое и так далее, пока письмо не будет доставлено через всю страну. В каждом почтовом отделении почтовая служба должна обработать письмо и выбрать, куда его отправить дальше.
Чтобы всё это работало, у почтовой службы есть регулярные маршруты для небольших грузовиков, больших грузовиков, самолетов, лодок и т.д. для перемещения писем между почтовыми отделениями. Служба должна иметь возможность получать и пересылать письма, а также принимать правильные решения о том, куда отправлять каждое письмо в следующий раз, как показано на рисунке 1.
Продолжая размышлять о почтовой службе, подумайте о разнице между человеком, отправляющим письмо, и работой, которую выполняет почтовая служба. Человек, отправляющий письма, ожидает, что почтовая служба будет доставлять письмо большую часть времени. Однако человеку, отправляющему письмо, не нужно знать подробности того, по какому пути идут письма. Почтовая служба, напротив, не создает письмо, а принимает его от клиента. Затем почтовая служба должна знать подробности об адресах и почтовых индексах, которые группируют адреса в более крупные группы, и должна иметь возможность доставлять письма.
Приложение TCP/IP и транспортный уровень действуют как человек, отправляющий письма через почтовую службу. Эти верхние уровни работают одинаково, независимо от того, находятся ли хост-компьютеры конечных точек в той же локальной сети или отделены всем Интернетом. Чтобы отправить сообщение, эти верхние уровни запрашивают уровень ниже, сетевой уровень, чтобы доставить сообщение.
Нижние уровни модели TCP/IP действуют больше как почтовая служба, доставляя эти сообщения правильным адресатам. Для этого эти нижние уровни должны понимать используемую физическую сеть, потому что они должны выбирать, как лучше всего доставлять данные от одного хоста к другому.
Итак, какое всё это имеет значение для сетей? Что ж, сетевой уровень сетевой модели TCP/IP, в первую очередь определяемый Интернет-протоколом (IP), работает во многом как почтовая служба. IP определяет, что каждый хост-компьютер должен иметь свой IP-адрес, так же как почтовая служба определяет адресацию, которая позволяет использовать уникальные адреса для каждого дома, квартиры или предприятия. Точно так же IP определяет процесс маршрутизации, и поэтому устройства, называемые маршрутизаторами, пересылая пакеты данных, чтобы те были доставлены в правильные места назначения, могут работать как почтовое отделение. Подобно тому, как почтовая служба создала необходимую инфраструктуру для доставки писем (почтовые отделения, сортировочные машины, грузовики, самолеты и персонал), сетевой уровень определяет детали того, как должна быть создана сетевая инфраструктура, чтобы сеть могла доставлять данные на все компьютеры в сети.
Основы адресации интернет-протокола
IP определяет адреса по нескольким важным причинам. Во-первых, каждому устройству, использующему TCP/IP, (каждому хосту TCP/IP) нужен уникальный адрес, чтобы его можно было идентифицировать в сети. IP также определяет, как группировать адреса вместе, точно так же, как почтовая система группирует адреса на основе почтовых индексов (например, почтовые индексы в РФ).
Чтобы понять основы, посмотрите на рисунок 2, на котором показаны знакомые нам веб-сервер Гарри и веб-браузер Роба; но теперь сеть между этими двумя компьютерами уже не игнорируется, и показана часть сетевой инфраструктуры.
Во-первых, обратите внимание, что на рисунке 2 показаны примеры IP-адресов. Каждый IP-адрес имеет четыре числа, разделенных точками. В этом случае Гарри использует IP-адрес 1.1.1.1, а Роб — 2.2.2.2. Этот стиль чисел называется десятичной системой с разделительными точками (DDN).
На рисунке 2 также показаны три группы адресов. В этом примере все IP-адреса, начинающиеся с 1, должны находиться в верхнем левом углу, что показано в сокращении на рисунке как 1 .__.__.__. Все адреса, начинающиеся с 2, должны быть справа, что показано в сокращении как 2 .__.__.__. Наконец, все IP-адреса, начинающиеся с 3, должны быть внизу рисунка.
Кроме того, на рисунке 2 представлены значки, представляющие IP-маршрутизаторы. Маршрутизаторы – это сетевые устройства, которые соединяют части сети TCP/IP вместе с целью маршрутизации (пересылки) IP-пакетов в правильное место назначения. Маршрутизаторы выполняют аналогичную работу, выполняемую каждым почтовым отделением: они получают IP-пакеты на различных физических интерфейсах, принимают решения на основе IP-адреса, включенного в пакет, а затем физически пересылают этот пакет через какой-либо другой сетевой интерфейс.
Основы IP-маршрутизации
Сетевой уровень TCP/IP, использующий протокол IP, предоставляет услугу пересылки IP-пакетов от одного устройства к другому. Любое устройство с IP-адресом может подключаться к сети TCP/IP и отправлять пакеты. В данном разделе для понимания показан простой пример IP-маршрутизации.
ПРИМЕЧАНИЕ: Термин IP-хост относится к любому устройству, независимо от размера и мощности, которое имеет IP-адрес и подключается к любой сети TCP/IP.
На рисунке 3 повторяется знакомый случай, когда веб-сервер Гарри хочет отправить часть веб-страницы Робу, но теперь с подробностями, относящимися к IP. Обратите внимание на левый нижний угол, где показаны готовые к отправке сервером Гарри уже знакомые данные приложения, заголовок HTTP и заголовок TCP. Кроме того, сообщение теперь содержит заголовок IP, который включает в себя IP-адрес источника (IP-адрес Гарри, 1.1.1.1) и IP-адрес назначения (IP-адреса Боба, 2.2.2.2).
Шаг 1 (слева на рисунке 3) начинается с того, что Гарри готов отправить IP-пакет. IP-процесс сервера Гарри решает отправить пакет на какой-то маршрутизатор (ближайший маршрутизатор в той же локальной сети), ожидая, что маршрутизатор будет знать, как пересылать пакет (эта логика очень похожа на то, как мы с вами отправляем все наши письма, кладя их в ближайший почтовый ящик). Гарри не нужно больше ничего знать о топологии сети или о других маршрутизаторах.
На шаге 2 маршрутизатор R1 получает IP-пакет, и IP-процесс R1 принимает решение. R1 смотрит на адрес назначения (2.2.2.2), сравнивает этот адрес со своими известными IP-маршрутами и выбирает пересылку пакета на маршрутизатор R2. Этот процесс пересылки IP-пакета называется IP-маршрутизацией (или просто маршрутизацией).
На шаге 3 маршрутизатор R2 повторяет ту же логику, что и маршрутизатор R1. IP-процесс R2 сравнивает IP-адрес назначения пакета (2.2.2.2) с известными IP-маршрутами R2 и выбирает пересылку пакета направо, к Робу.
При подготовке к CCNA, вы изучите IP глубже, чем любой другой протокол. Более чем в половине статей данной серии обсуждаются особенности, связанные с адресацией, IP-маршрутизацией и тем, как маршрутизаторы выполняют маршрутизацию.