Аппаратные (локальные) адреса
Рассмотрим аппаратные адреса, называемые ещё MAC-адресами.
 |
Аппаратный (локальный) адрес относится к физическим адресам и идентифицирует узел в пределах подсети. Для доставки данных любому узлу такой подсети достаточно указать только аппаратный адрес. Если подсеть использует одну из базовых технологий LAN — Ethernet, FDDI, Token Ring, — то таковым адресом будет являться МАС - адрес. MAC – адрес относится к плоской системе адресов и предназначен для однозначной идентификации сетевых интерфейсов в локальных сетях. Он представляет собой двоичное или шестнадцатеричное 48-разрядное число, встраиваемое в сетевую аппаратуру компанией – изготовителем. В шестнадцатеричной форме MAC –адрес состоит из 12 цифр. Например, 0014231FDC78. Он состоит из двух частей (рис. 18.2): идентификационный номера компании –
Рис. 6.2. Структура MAC – адреса
изготовителя и серийного номера изделия, присвоенного данной компанией.
Использование аппаратных адресов является жёстким решением, т.к. замена сетевой аппаратуры, например, сетевого адаптера, приводит к изменению аппаратного адреса, что бывает неудобным.
В случае использования в IP-сети иной технологии, отличной от вышеуказанных, то в качестве аппаратных адресов узлов этой подсети могут выступать иные типы адресов, но которые однозначно определяют узлы в данной подсети. К примеру, в сети с технологией IPX/SPX для протокола IP такими адресами являются IPX-адреса. Аналогично, если в составную сеть включена сеть Х.25, то локальными адресами для протокола IP соответственно будут адреса Х.25.
Доменные адреса
Для адресации к узлам связи в пределах всей глобальной сети вполне достаточно указать только IP-адрес, чтобы программа правильно поняла к какому хосту ей нужно обратиться. Например, команда ftp://192.45.66.17 позволит установить сеанс связи с нужным ftp-сервером. Однако, IP- адреса неудобны в использовании и трудны для запоминания. Для пользователя гораздо удобнее оперировать с символьными адресами.
В первых операционных системах Windows для адресации внутри локальной сети использовались так называемые NetBIOS-имена, состоящие из последовательности символов, не разделенных на части. NetBIOS-имена относятся к плоской системе адресации. Примерами таких имен являются: NW1_1, mail2, MOSCOW_ SALES_2. Для локальных сетей такой способ адресации был приемлемым, т.к. пользователю для небольшого числа рабочих станций было не сложно обеспечить уникальность их имён. Но с ростом размеров сетей и, особенно при подключении локальной сети к глобальной, использование NetBIOS-имен стало не возможным, т.к. уже стало не возможным обеспечение их уникальности.
Была и другая причина отказа от использования NetBIOS-имен. Для установления соответствия между символьными именами и МАС - адресами в этих операционных системах применялся механизм широковещательных запросов. Такой способ установления соответствия хорошо работал в небольшой локальной сети, не разделенной на подсети, но совсем не работал в глобальных сетях. Для составных сетей нужна была другая система разрешения символьных имен. И такой альтернативной системой стала система иерархических составных символьных имен.
Данная система унаследовала от IP-адресации принцип иерархического деления сетей на сети и подсети. Но в качестве имён сетей, подсетей и узлов используются уже символьные имена, а не цифровые. В данной системе принят обратный способ перечисления имен сетей, подсетей и узлов. Для определения символьного иерархического адреса определённого узла в составной сети вначале указывается имя узла, затем перечисляются имена подсетей в порядке убывания их вложенности, и последним указывается имя самой внешней сети. В качестве разделителя имён узлов и сетей используется точка. Например, символьный иерархический адрес для узла ICT305-5, входящего в локальную сеть ICT305, которая в свою очередь входит в следующие вложенные друг в друга сети (в порядке убывания вложенности): NTF, KRSU, EDU, KG, будет следующим:
ICT305-5.ICT305.NTF.KRSU.EDU.KG
В операционных системах, начиная с Windows NT4, при указании символьных иерархических имён стало использоваться понятие домена имён. Под доменом имён понимается совокупность имён всех узлов или подсетей относящиеся к одному иерархическому уровню, т.е. те которые входят в одну и туже составную сеть.
Тогда символический адрес любого узла можно представить в виде совокупности доменных имен, иерархически упорядоченных начиная от самого нижнего уровня до самого верхнего.
Доменная система имен, имеющая иерархическую древовидную структуру, допускает использование в имени произвольного количества составных частей (рис. 17.4).
Рис. 6.3. Пространство доменных имен
Иерархия доменных имен аналогична иерархии имен файлов, принятой во многих популярных файловых системах. Дерево имен начинается с корня, обозначаемого здесь точкой (.). Затем следует старшая символьная часть имени, вторая по старшинству символьная часть имени и т. д. Младшая часть имени соответствует конечному узлу сети. В отличие от имен файлов, при записи которых сначала указывается самая старшая составляющая, затем составляющая более низкого уровня и т. д., запись доменного имени наоборот начинается с самой младшей составляющей, а заканчивается самой старшей. Составные части доменного имени отделяется друг от друга точкой. Например, в имени partnering.microsoft.com составляющая partnering является именем одного из компьютеров в домене microsoft.com
Совокупность имен, у которых несколько старших составных частей совпадают, образуют домен (domain) имен. Например, имена www1.zil.mmt.ru, ftp.zil.mmt.ru, yandex.ru и s1 .mgu.ru входят в домен ru, так как все эти имена имеют одну общую старшую часть — имя ru. Другим примером является домен mgu.ru. Из представленных на рис. 1.4 имен в него входят имена s1.mgu.ru, s2.mgu.ru и rn.mgu.ru. Этот домен образуют имена, у которых две старшие части всегда равны mgu.ru. Имя www.mmt.ru в домен mgu.ru не входит, так как имеет отличающуюся составляющую mmt.
Примером доменного имени может служить имя base2.sales.zil.ru. Между доменным именем и IP-адресом узла нет никакой функциональной зависимости, поэтому единственный способ установления соответствия — это таблица. В сетях TCP/IP используется специальная распределенная служба доменных имен (Domain Name System, DNS), которая устанавливает это соответствие на основании создаваемых администраторами сети таблиц соответствия. Поэтому доменные имена называют также DNS-именами.
Сетевые или IP-адреса
Сетевые, или IP-адреса относятся к иерархической системе адресов, в которой поддерживается два уровня иерархии: старшая часть – указывает номер сети (подсети), и младшая часть – указывает номер узла (хоста) в данной сети. Такое деление позволяет передавать сообщения между сетями только на основании номера сети, а номер узла используется после доставки сообщения в нужную сеть. Это можно сравнить с доставкой писем сначала в опредёлённый город, а только потом по указанному адресу в этом городе. IP-адреса относятся к логическим адресам, т.е. к адресам, динамически присваиваемыми определенным узлам объединённой сети, и не изменяемыми при замене сетевого устройства. Данные адреса используются на сетевом уровне модели OSI.
IP-адрес представляет собой 32-разрядное двоичное число, занимаемое 32 бита или 4 байта. Например:
10000000 00001010 00000010 00011110
Десятичная форма вышеуказанного двоичного числа будет иметь вид: 128.10.2.30
Для удобства работы пользователей, это число записывается в виде соответствующего двоичному числу десятичного числа, состоящего из 4 группы чисел по 8 битов, разделенные точками.
Каждая такая группа называется октетом. Каждый бит октета имеет двоичный вес (128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1). Минимальное значение октета равно 0 (соответствует 00000000), максимальное — 255 (соответствует 11111111). Основной формат IP-адреса показан на рис. 18.3
Рис. 6.4. Пространство доменных имен
Заметим, что двоичная запись адреса не предусматривает специального разграничительного знака между номером сети и номером узла. По сети IP-адрес передаётся как непрерывная последовательность битов. Каким же тогда образом маршрутизаторы, на которые поступают пакеты, выделяют из адреса назначения номер сети, чтобы по нему определить дальнейший маршрут? Какая часть из 32 бит, отведенных под IP-адрес, относится к номеру сети, а какая — к номеру узла? Можно предложить несколько вариантов решения этой проблемы.
Первый, простейший из них состоит в том, что все 32-битовое поле адреса заранее делится на две части не обязательно равной, нофиксированной длины, в одной из которых всегда будет размещаться номер сети, а в другой — номер узла. Решение очень простое, но хорошее ли? Поскольку поле, которое отводится для хранения номера узла, имеет фиксированную длину, все сети будут иметь одинаковое максимальное число узлов. Если, например, под номер сети отвести один первый байт, то все адресное пространство распадется на сравнительно небольшое (28) число сетей огромного размера (224 узлов). Если границу передвинуть дальше вправо, то сетей станет больше, но все равно все они будут одинакового размера. Очевидно, что такой жесткий подход не позволяет дифференцированно подходить к потребностям отдельных предприятий и организаций. Именно поэтому такой способ структуризации адреса и не нашел применения.
Второй подход решения данной проблемы заключается в использовании классов IP-адресов. Этот способ предоставляет более гибкий подход в определении границы между номером сети и номером узла. Эта граница уже не является фиксированной, а меняется в зависимости от класса IP-адреса. Вводится несколько классов сетей, и для каждого класса определены свои размеры сети. Класс сети определяется следующим образом. Для двоичного значения IP-адреса - по двоичным значениям старших разрядов 1-го октета. Для десятичного IP-адреса – по диапазонам их значений.
И, наконец, третий способ– самый распространённый и наиболее гибкий в настоящее время. Он основан на использовании маски сети, которая позволяет максимально гибко устанавливать границу между номером сети и номером узла. В данном случае маска — это некоторое 32-разрядное число, которое используется в паре с IP-адресом. Двоичная запись маски содержит последовательность единиц в тех разрядах, которые должны в IP-адресе интерпретироваться как номер сети. (!) Поскольку номер сети является цельной частью адреса, единицы в маске также должны представлять непрерывную последовательность. Граница между последовательностью единиц и последовательностью нулей в маске соответствует границе между номером сети и номером узла в IP-адресе. При таком подходе адресное пространство можно представить как совокупность множества сетей разного размера.
Классы IP-адресов
Традиционная схема деления IP-адреса на номер сети и номер узла основана на понятии класса, который определяется значениями нескольких первых битов адреса. Именно потому, что первый байт адреса 185.23.44.206 попадает в диапазон 128-191, мы можем сказать, что этот адрес относится к классу В, а значит, номером сети являются первые два байта IP-адреса, дополненные двумя нулевыми байтами — 185.23.0.0, а номером узла — два младшие байта, дополненные с начала двумя нулевыми байтами — 0.0.44.206.
Принадлежность IP-адреса к классу определяется значениями первых битов адреса. На рис. 17.5 показана структура IP-адресов разных классов.
Рис. 6.5. Структура IP-адресов
Если адрес начинается с 0, то этот адрес относится к классу А, в котором под номер сети отводится один байт, а остальные три байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети, имеющие номера в диапазоне от 1 (00000001) до 126 (01111110), называются сетями класса А. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) Сетей класса А немного, зато количество узлов в них может достигать 224, то есть 16 777 216 узлов.
Если первые два бита адреса равны 10, то адрес относится к классу В. В адресах класса В под номер сети и под номер узла отводится по два байта. Сети, имеющие номера в диапазоне от 128.0 (1000000000000000) до 191.255 (10111111 11111111), называются сетями класса В. Таким образом, сетей класса В больше, чем сетей класса А, но размеры их меньше, максимальное количество узлов в них составляет 216 (65 536).
Если адрес начинается с последовательности битов 110, то это адрес класса С (с 192.0.1 до 223.255.255). В этом случае под номер сети отводится 24 бита, а под номер узла — 8 бит. Сети класса С наиболее распространены, но число узлов в них ограничено значением 28 (256) узлов.
Еще два класса адресов D и Е не связаны непосредственно с сетями.
Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес (multicast). Групповой адрес идентифицирует группу узлов (сетевых интерфейсов), которые в общем случае могут принадлежать разным сетям. Интерфейс, входящий в группу, получает наряду с обычным индивидуальным IP-адресом еще один групповой адрес. Если при отправке пакета в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должен быть доставлен всем узлам, которые входят в группу.
Если адрес начинается с последовательности 11110, то это значит, что данный адрес относится к классу Е. Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений.
В табл. 18.1 приведены диапазоны номеров сетей и максимальное число узлов, соответствующих каждому классу сетей.
Таблица 18.1. Характеристики адресов разного класса
| Класс | Первые биты | Наименьший номер сети | Наибольший номер сети | Максимальное число узлов в сети |
| А | 1.0.0.0 | 126.0.0.0 | 224 = 16777216 | |
| В | 128.0.0.0 | 191.255.0.0 | 216=65536 | |
| С | 192.0.1.0 | 223.255.255.0 | 28= 256 | |
| D | 224.0.0.0 | 239.255.255.255 | Групповая адресация | |
| Е | 240.0.0.0 | 247.255.255.255 | Зарезервирован |
Большие сети получают адреса класса А, средние — класса В, а небольшие — класса С.
Особые IP-адреса
В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов.
Если весь IP-адрес состоит только из двоичных нулей, то он обозначает адрес того узла, который сгенерировал этот пакет (этот режим используется только в некоторых сообщениях ICMP).
Если в поле номера сети стоят только нули, то по умолчанию считается, что узел назначения принадлежит той же самой сети, что и узел, который отправил пакет.
Если все двоичные разряды IP-адреса равны 1, то пакет с таким адресом назначения должен рассылаться всем узлам, находящимся в той же сети, что и источник этого пакета. Такая рассылка называется ограниченным широковещательным сообщением (limited broadcast). Ограниченность в данном случае означает, что пакет не выйдет за границы маршрутизатора ни при каких условиях.
Если в поле номера узла назначения стоят только единицы, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Например, пакет с адресом 192.190.21.255 доставляется всем узлам сети 192.190.21.0. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast).
Специальные адреса, состоящие из последовательностей нулей, могут быть использованы только в качестве адреса отправителя, а адреса, состоящие из последовательностей единиц, — только в качестве адреса получателя.
При назначении адресов конечным узлам и маршрутизаторам необходимо учитывать те ограничения, которые вносятся особым назначением некоторых IP-адресов. Так, ни номер сети, ни номер узла не может состоять только из одних двоичных единиц или только из одних двоичных нулей. Отсюда следует, что максимальное количество узлов, приведенное в таблице для сетей каждого класса, на практике должно быть уменьшено на 2. Например, в адресах класса С под номер узла отводится 8 бит, которые позволяют задать 256 номеров: от 0 до 255. Однако на практике максимальное число узлов в сети класса С не может превышать 254, так как адреса 0 и 255 имеют специальное назначение. Из этих же соображений следует, что конечный узел не может иметь адрес типа 98.255.255.255, поскольку номер узла в этом адресе класса А состоит из одних двоичных единиц.
Особый смысл имеет IP-адрес, первый октет которого равен 127. Он используется для тестирования программ и взаимодействия процессов в пределах одной машины. Когда программа посылает данные по IP-адресу 127.0.0.1, то образуется как бы «петля» адресации. Данные не передаются по сети, а возвращаются модулям верхнего уровня, как только что принятые. Поэтому в IP-сети запрещается присваивать сетевым интерфейсам IP-адреса, начинающиеся с числа 127. Этот адрес имеет название loopback. Можно отнести адрес 127.0.0.0 к внутренней сети модуля маршрутизации узла, а адрес 127.0.0.1 — к адресу этого модуля на внутренней сети. На самом деле любой адрес сети 127.0.0.0 служит для обозначения своего модуля маршрутизации, а не только 127.0.0.1, например 127.0.0.3.