📑 Протокол сетевого уровня — IP
Протокол IP — основной протокол стека протоколов TCP/IP и основной протокол сетевого уровня. Именно он отвечает за передачу информации по сети и между отдельными сетями (подсетями). В его основе заложен дейтаграммный метод, который не гарантирует доставку пакета.
Функции протокола IP определены в стандарте RFC-791 следующим образом:
“Протокол IP обеспечивает передачу блоков данных, называемых дейтаграммами, от отправителя к получателям, где отправители и получатели являются компьютерами, идентифицируемыми адресами фиксированной длины (IP-адресами). Протокол IP обеспечивает при необходимости также фрагментацию и сборку дейтаграмм для передачи данных через сети с малым размером пакетов”.
Протокол IP является ненадежным протоколом без установления соединения. Это означает, что протокол IP не подтверждает доставку данных, не контролирует целостность полученных данных и не производит операцию квитирования (handshaking) – обмена служебными сообщениями, подтверждающими установку соединения с узлом назначения и его готовность к приему данных.
Протокол IP обрабатывает каждую дейтаграмму как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими дейтаграммами в Интернет.
После того, как дейтаграмма отправляется в сеть, ее дальнейшая судьба никак не контролируется отправителем (на уровне протокола IP). Если дейтаграмма не может быть доставлена, она уничтожается. Узел, уничтоживший дейтаграмму, может оправить по обратному адресу ICMP-сообщение о причине сбоя.
Гарантию правильной передачи данных предоставляют протоколы вышестоящего уровня (например, протокол TCP или сервисы прикладного уровня), которые имеют для этого необходимые механизмы.
Одна из основных задач, решаемых протоколом IP, – маршрутизация дейтаграмм, т.е. определение пути следования дейтаграммы от одного узла сети к другому на основании адреса получателя.
Общий сценарий работы модуля IP на каком-либо узле сети, принимающего дейтаграмму из сети, не зависимо от конкретной реализации, то-есть операционной системы, таков:
- с одного из интерфейсов уровня доступа к среде передачи (например, с Ethernet-интерфейса) в модуль реализующий протокол IP поступает дейтаграмма;
- модуль IP анализирует заголовок дейтаграммы;
- если пунктом назначения дейтаграммы является данный компьютер:
- если дейтаграмма является фрагментом большей дейтаграммы, ожидаются остальные фрагменты, после чего из них собирается исходная большая дейтаграмма;
- из дейтаграммы извлекаются данные и направляются на обработку одному из протоколов вышележащего уровня (какому именно – указывается в заголовке дейтаграммы);
- если ретрансляция разрешена, то-есть узел выполняет маршрутизирующие функции, то определяются следующий узел сети, на который должна быть переправлена дейтаграмма для доставки ее по назначению, и интерфейс нижнего уровня, после чего дейтаграмма передается на нижний уровень этому интерфейсу для отправки; при необходимости может быть произведена фрагментация дейтаграммы;
- если же дейтаграмма ошибочна или по каким-либо причинам не может быть доставлена, она уничтожается; при этом, как правило, отправителю дейтаграммы отсылается ICMP-сообщение об ошибке.
При получении данных от вышестоящего уровня для отправки их по сети IP-модуль формирует дейтаграмму с этими данными, в заголовок которой заносятся адреса отправителя и получателя (также полученные от транспортного уровня) и другая информация; после чего выполняются следующие шаги:
- если дейтаграмма предназначена этому же узлу, из нее извлекаются данные и направляются на обработку одному из протоколов транспортного уровня (какому именно – указывается в заголовке дейтаграммы);
- если дейтаграмма не направлена ни на один из IP-адресов данного узла, то определяются следующий узел сети, на который должна быть переправлена дейтаграмма для доставки ее по назначению, и интерфейс нижнего уровня, после чего дейтаграмма передается на нижний уровень этому интерфейсу для отправки; при необходимости может быть произведена фрагментация дейтаграммы;
- если же дейтаграмма ошибочна или по каким-либо причинам не может быть доставлена, она уничтожается.
Формат заголовка дейтаграммы IP (v4):
Октет 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 Версия IHL Тип обслуживания Длина пакета 4 Идентификатор Флаги Смещение фрагмента 8 Время жизни (TTL) Протокол Контрольная сумма заголовка 12 IP-адрес отправителя 16 IP-адрес получателя 20 Параметры (от 0 до 10-и 32-х битных слов) Данные - Версия — для IPv4 значение поля должно быть равно 4.
- IHL — (Internet Header Length) длина заголовка IP-пакета в 32-битных словах (dword). Именно это поле указывает на начало блока данных (англ. payload — полезный груз) в пакете. Минимальное корректное значение для этого поля равно 5.
- Тип обслу́живания (Type of Service, акроним TOS) — байт, содержащий набор критериев, определяющих тип обслуживания IP-пакетов. Поле в заголовке пакета IPv4, которое с годами приобретало различные цели, и описывалось почти в пяти RFC. В настоящее время TOS поле имеет 6 bit поля DiffServ Code Point (DSCP) и 2-bit поля Explicit Congestion Notification.Тип обслуживания позволяет приоритизировать IP-трафик на сетевых маршрутизаторах, с целью обеспечения высокого качества передачи данныхБайт побитно (0 – старший, 7 – младший):
- 0-2 — приоритет (precedence) данного IP-сегмента
- 3 — требование ко времени задержки (delay) передачи IP-сегмента (0 — нормальная, 1 — низкая задержка)
- 4 — требование к пропускной способности (throughput) маршрута, по которому должен отправляться IP-сегмент (0 — низкая, 1 — высокая пропускная способность)
- 5 — требование к надежности (reliability) передачи IP-сегмента (0 — нормальная, 1 — высокая надежность)
- 6-7 — ECN — явное сообщение о задержке (управление IP-потоком).
- Протокол обмена управляющими сообщениями ICMP
- DSL — высокоскоростная цифровая линия до пользователя (Digital Subscriber Line)
- Протокол транспортного уровня — UDP
- Основные сведения о DNS. Зоны и серверы DNS.
- Общие принципы функционирования NAT
- Протокол сетевого уровня — IP
- Сетевой уровень модели OSI. Общие понятия.
- Основные понятия DHCP
- Виртуальная локальная сеть — VLAN (Virtual Local Area Network)
- Устройства канального уровня модели OSI (L2)
- Канальный уровень модели OSI. Общие понятия.
- Физический уровень модели OSI
- Что такое QoS?
- Файлы и записи зон DNS
- Открытые DNS сервера
- Основные сведения о DNS. Введение.
- Коды ответа сервера по протоколу HTTP
- Модели OSI и TCP/IP
- Протоколы ARP и RARP
- Основные понятия WWW
- Что такое CSS?
- WebDAV
Функции сетевого уровня.
В функции сетевого уровня входит решение следующих задач:
1. Передача пакетов между конечными узлами в составных сетях. Сетевой уровень выступает в качестве координатора, организующего работу всех подсетей, лежащих на пути продвижения пакета по составной сети. Составная сеть (Интернет) – это совокупность нескольких сетей, называемых также подсетями (subnet), которые соединяются между собой маршрутизаторами.
2. Выбор маршрута передачи пакетов, наилучшего по некоторому критерию.
3. Согласование разных протоколов канального уровня, использующихся в отдельных подсетях составной сети. Для перемещения данных в пределах подсетей сетевой уровень обращается к используемым в этих подсетях технологиям.
4. На сетевом уровне выполняется одна из важнейших функций маршрутизатора – фильтрация трафика. Маршрутизаторы позволяют администраторам задавать разные правила фильтрации. Например, запретить прохождение в корпоративную сеть всех пакетов, кроме пакетов, поступающих из подсетей этого же предприятия. Фильтрация в данном случае происходит по сетевым адресам. Программное обеспечение маршрутизатора может реализовать различные дисциплины обслуживания очередей пакетов, а так же различные варианты приоритетного обслуживания.
5.На сетевом уровне проверяется контрольная сумма, и если пакет пришел поврежденным, то он отбрасывается (сетевой уровень коррекцией ошибок не занимается). Так же проверяется время жизни пакета – не превышает ли оно допустимой величины (если превысило – то пакет отбрасывается).
Принципы маршрутизации.
Сетевой уровень обеспечивает возможность перемещения пакетов по сети, используя тот маршрут, который в данный момент является более рациональным.
Маршрут – это последовательность маршрутизаторов, которые должен пройти пакет от отправителя до пункта назначения. В сложных составных сетях почти всегда существуют несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами. Задачу выбора маршрута решают как конечные узлы – компьютеры так и промежуточные узлы – маршрутизаторы на основе таблиц маршрутизации. Маршрутизаторы обычно автоматически создают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной информацией; для конечных узлов таблицы маршрутизации часто создаются вручную администраторами и хранятся виде постоянных файлов на дисках. Маршрутизаторы имеют по несколько портов для подключения сетей, каждый порт маршрутизатора имеет свой собственный сетевой адрес и свой собственный локальный адрес. Если маршрутизатор имеет блок управления, то этот блок имеет свой собственный адрес, по которому к нему обращается центральная станция управления, находящаяся где — то в составной сети.
С помощью протоколов маршрутизации маршрутизаторы составляют карту связей той или иной степени подробности. На основании этой информации для каждого номера сети принимается решение о том, какому следующему маршрутизатору надо передать пакеты, направляемые в эту сеть, чтобы маршрут оказался рациональным. Результаты этих решений заносятся в таблицу маршрутизации.
К протоколам маршрутизации относятся такие протоколы как RIP, OSPF, протокол BGP; протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP.
Крупные сети разбиваются на автономные системы, автономные системы – это сети, присоединенные к магистрали, имеющие свое собственное административное управление и собственные протоколы маршрутизации.
Протоколы маршрутизации делятся на внешние и внутренние. Внешние протоколы (EGP,BGP) переносят маршрутную информацию между автономными системами, а внутренние (RIP, OSPF) применяются в пределах определенной автономной системы.
Протокол BGP позволяет распознавать наличие петель между автономными системами и исключить их из межсистемных маршрутов.
Протокол RIP(Routing Internet Protocol) является одним из наиболее ранних протоколов обмена маршрутной информации и до сих пор чрезвычайно распространен ввиду простоты маршрутизации. Протокол RIP имеет несколько версий, например, для протокола IP имеется версия RIPv1, которая не поддерживает масок и версия RIPv2, это протокол, который передает информацию о масках сетей. С помощью протокола RIP строится таблица маршрутизации. В первом столбце таблицы перечисляются номера сетей, входящих в интерсеть. В каждой строке следом за номером сети указывается сетевой адрес порта следующего маршрутизатора, на который нужно отправить пакет, чтобы тот передвигался по направлению к сети с данным номером по рациональному маршруту. В третьем столбце указывается номер выходного порта данного маршрутизатора. В четвертом столбце указывается расстояние до сети назначения.
Таблица 1.Таблица маршрутизации
Сетевой адрес порта следующего маршрутизатора
Сетевой адрес выходного порта маршрутизатора
Расстояние до сети назначения