IPv4, вопрос адресации
Начнем наше изучение протокола IPv4 с вопроса адресации. Хотя этот вопрос может показаться довольно простым и, возможно, скучным, связь адресации и маршрутизации на сетевом уровне является одновременно очень важной и трудноуловимой.
Однако прежде, чем перейти к обсуждению IP-адресации, мы должны сказать несколько слов о том, как хосты и маршрутизаторы объединяются в сети. Как правило, хост соединен с сетью единственной линией. Когда протоколу IP хоста необходимо послать дейтаграмму, он пользуется этой линией. Между физической линией и хостом располагается интерфейс. Маршрутизатор принципиально отличается от хоста. Поскольку работа маршрутизатора заключается в получении дейтаграммы по «входной» линии и отправке ее по одной из «выходных» линий, маршрутизатор должен быть присоединен к двум или более линиям. Границы между маршрутизатором и его линиями также называются интерфейсами. Таким образом, у маршрутизатора несколько интерфейсов, по одному для каждой линии. Поскольку отправлять и принимать IP-дейтаграммы может каждый хост и каждый маршрутизатор, протокол IP требует, чтобы у интерфейса каждого хоста и у интерфейса каждого маршрутизатора был собственный IP-адрес. Таким образом, IP-адрес технически ассоциируется с интерфейсом, а не хостом или маршрутизатором, которому принадлежит интерфейс.
Каждый IP-адрес представляет собой 32-разрядное число (четыре байта), поэтому всего может быть 232 IP-адресов. Как правило, эти адреса изображаются в виде четырех десятичных чисел, разделенных точками. Каждое десятичное число соответствует одному байту адреса, например 193.32.216.9. В двоичном виде этот же адрес будет выглядеть так:
11000001 00100000 11011000 00001001
У интерфейсов всех хостов и маршрутизаторов в Интернете должны быть уникальные IP-адреса. Поэтому эти адреса не могут выбираться произвольным образом. Часть IP-адреса интерфейса определяется «сетью», с которой он соединен. В данном контексте термин «сеть» не имеет отношения к общей инфраструктуре хостов, маршрутизаторов и линий связи, образующих сеть. Как мы скоро увидим, данный термин имеет очень точное значение, тесно связанное с IP-адресацией.
На рис. 4.14 показаны примеры IP-адресов и интерфейсов. На этом рисунке один маршрутизатор (с тремя интерфейсами) используется для объединения семи хостов. Обратите внимание на IP-адреса, назначенные интерфейсам хостов и маршрутизатора. IP-адреса трех хостов в левой части рисунка, а также IP-адрес интерфейса маршрутизатора, к которому они присоединены, имеют вид 223.1.1.ххх.
То есть левые 24 бита их IP-адресов одинаковые. Кроме того, они соединены друг с другом единой физической линией (в данном случае широковещательной линией связи, например Ethernet-кабелем, к которому они все физически присоединены), без промежуточных маршрутизаторов. В терминологии IP интерфейсы этих трех хостов и левого верхнего интерфейса маршрутизатора образуют IP-сеть, или просто сеть. Общие 24 бита адреса формируют сетевую часть их IP-адреса. Оставшиеся восемь разрядов представляют собой «хостовую» часть IP-адреса. (Мы будем называть хостовую часть IP-адреса «интерфейсной частью адреса», так как IP-адрес соответствует не хосту, а интерфейсу; тем не менее терминология «хосто-вая часть адреса» часто используется на практике.) У самой сети также есть адрес: 223.1.1.0/24, где нотация /24, иногда называемая сетевой маской, означает, что самые левые 24 бита 32-разрядного числа определяют сетевой адрес. Эти самые левые разряды часто называют сетевым префиксом. Таким образом, сеть 223.1.1.0/24 состоит из трех хостовых интерфейсов (223.1.1.1, 223.1.1.2 и 223.1.1.3) и одного интерфейса маршрутизатора (223.1.1.4). Любые дополнительные хосты, присоединенные к сети 223.1.1.0/24, должны иметь адреса вида 223.1.l.xxx. На рис. 4.14 изображены еще две сети: 223.1.2.0/24 и 223.1.3.0/24. Все три сети показаны на рис. 4.15.
Принятое в протоколе IP определение «сети» не ограничивается Ethernet-сегментами, соединяющими несколько хостов с интерфейсом маршрутизатора. Рассмотрим рис. 4.16, на котором показаны три маршрутизатора, соединенные друг с другом линиями «точка-точка». У каждого маршрутизатора есть три интерфейса, два из которых соединяют маршрутизаторы друг с другом по линиям «точка-точка» и один выделен для широковещательной линии, напрямую соединяющей маршрутизатор с парой хостов. Здесь мы видим также три сети, 223.1.1.0/24, 223.1.2.0/24 и 223.1.3.0/24, аналогичные сетям на рис. 4.14. Однако обратите внимание, что в этом примере есть еще три сети: 223.1.9.0/24, для интерфейсов, соединяющих маршрутизаторы R1 и R2; 223.1.8.0/24, для интерфейсов, соединяющих маршрутизаторы R2 и R3; и 223.1.7.0/24, для интерфейсов, соединяющих маршрутизаторы R1 и R3.
Для общего случая сложной системы из маршрутизаторов и хостов можно распознавать IP-сети следующим способом. Отсоединим каждый интерфейс от его хоста или маршрутизатора. Таким образом, мы получим островки изолированных сетей, границы которых состоят из интерфейсов. Будем называть каждую такую изолированную структуру сетью. Применив подобную процедуру к системе, показанной на рис. 4.16, мы получим шесть островков, или сетей. Сегодняшний Интернет состоит из миллионов подобных сетей. Понятия сети и сетевого адреса очень важны. Они играют центральную роль в архитектуре маршрутизации Интернета.
Теперь, когда мы определили понятие сети, можно переходить к более подробному обсуждению IP-адресации. В оригинальной архитектуре адресации Интернета определены четыре класса адресов, как показано на рис. 4.17. Пятый класс адресов, начинающихся с цифр 11110, зарезервирован на будущее. В адресах класса А первые 8 бит идентифицируют сеть, а последние 24 бита обозначают интерфейс в этой сети.
Таким образом, в классе А может существовать до 27 сетей (первый из восьми битов имеет фиксированное нулевое значение), в каждой из которых может быть до 2(24) интерфейсов. Адресное пространство класса В позволяет создать до 2(14) сетей, в каждой из которых может быть до 2(16) интерфейсов. В адресе класса С первые 24 бита используются для идентификации сети, и только 8 бит остаются для идентификатора интерфейса. Адреса класса D зарезервированы для так называемых групповых адресов. Мы обсудим адреса класса D в разделе «Групповая маршрутизация».
Показанные на рисунке четыре класса адресов более не являются частью архитектуры IP-адресации. Требование, чтобы сетевая часть IP-адреса занимала ровно один, два или три байта, оказалось серьезным препятствием на пути быстро растущего числа организаций с сетями небольшого и среднего размера. Сеть класса С (/ 24) может содержать не более 28 — 2 = 254 хостов (два из 28 = 256 адресов зарезервированы для специального использования), чего слишком мало для большинства организаций. Однако сеть класса В (1/16), поддерживающая до 65 534 хостов, слишком велика для небольших компаний. В классической схеме адресации организация со, скажем, 2000 хостами, как правило, приобретала сетевой адрес класса В (/16). В результате адресное пространство класса В использовалось неэффективно, а количество свободных адресов сетей быстро сокращалось. Так, из 65 534 адресов организация с 2000 хостами задействовала лишь 2000, в результате более 63 000 адресов оставались бесполезными, так как не могли использоваться другими организациями.
В 1993 году группа IETF приняла стандарт CIDR (Classless Inter-Domain Routing — бесклассовая внутридоменная маршрутизация). Данный стандарт (RFC 1519) позволяет использовать сетевую часть адреса любой длины, не обязательно кратной 8 бит. Сетевой адрес стандарта CIDR записывается четырьмя десятичными числами, разделенными точками, например a.b.c.d/x, где х указывает количество разрядов в сетевой части адреса. В нашем примере организации с 2000 хостами может быть выделен блок из 2048 адресов вида a.b.c.d/21, а около 63 000 адресов в этом случае могут быть предоставлены другим организациям. В данном случае первые 21 бит указывают адрес сети организации, и у всех хостов данной организации эти разряды IP-адресов должны быть одинаковыми. Остальные 11 разрядов идентифицируют хост в организации. На практике организация может также разбить и эти 11 младших разрядов адреса, выделяя тем самым в своей сети подсети (RFC 950). Теперь, когда мы подробно изучили IP-адресацию, самое время задать себе вопрос, каким образом хост или сеть получают свои IP-адреса. Сначала обсудим, как сеть получает блок адресов для своих устройств, а затем поговорим о том, как адрес назначается устройству (например, хосту).