Уровень сетевого интерфейса

IP – сети: протоколы IP, ICMP, ARP, RARP, адресация.

Семейство протоколов TCP/IP имеет многоуровневую структуру, его строение отличается от строения эталонной модели OSI, предложенной стандартом ISO, так как основные черты семейства TCP/IP были заложены до появления эталонной модели и во многом послужили толчком для ее разработки. В семействе протоколов TCP/IP можно выделить четыре уровня, приведенных на Рис. 1.

Рис. 1. Соотношение моделей OSI/ISO и TCP/IP

На каждом уровне семейства TCP/IP присутствует несколько протоколов. Связь между наиболее употребительными протоколами и их принадлежность уровням изображены на Рис. 2.

Рис. 2. Основные протоколы семейства TCP/IP

Уровень сетевого интерфейса

Уровень сетевого интерфейса составляют протоколы, которые обеспечивают передачу данных между узлами связи, физически напрямую соединенными друг с другом, или, иначе говоря, подключенными к одному сегменту сети, и соответствующие физические средства передачи данных. К этому уровню относятся протоколы Ethernet, Token Ring, SLIP, PPP и т.д. и такие физические средства как витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель и т.д. Формально протоколы уровня сетевого интерфейса не являются частью семейства TCP/IP, но существующие стандарты определяют, каким образом должна осуществляться передача данных семейства TCP/IP с использованием этих протоколов.

Передача информации на уровне сетевого интерфейса производится на основании физических адресов, соответствующих точкам входа сети в узлы связи (например, физических адресов сетевых карт). Каждая точка входа имеет свой уникальный адрес – MAC-адрес (Media Access Control), физически зашитый в нее на этапе изготовления. Так, например, каждая сетевая плата Ethernet имеет собственный уникальный 48-битовый номер.

Из многочисленных протоколов уровня Internet можно выделить следующие:

ICMP – Internet Control Message Protocol. Протокол обработки ошибок и обмена управляющей информацией между узлами сети.

IP – Internet Protocol. Это протокол, который обеспечивает доставку пакетов информации для протокола ICMP и протоколов транспортного уровня TCP и UDP.

ARP – Address Resolution Protocol. Это протокол для отображения адресов уровня Internet в адреса уровня сетевого интерфейса.

RARP – Reverse Address Resolution Protocol. Этот протокол служит для решения обратной задачи: отображения адресов уровня сетевого интерфейса в адреса уровня Internet.

Два последних протокола используются не для всех сетей; только некоторые сети требуют их применения.

Уровень Internet обеспечивает доставку информации от сетевого узла отправителя к сетевому узлу получателя без установления виртуального соединения с помощью датаграмм и не является надежным.

Центральным протоколом уровня является протокол IP. Вся информация, поступающая к нему от других протоколов, оформляется в виде IP-пакетов данных (IP datagrams). Каждый IP-пакет содержит адреса компьютера отправителя и компьютера получателя, поэтому он может передаваться по сети независимо от других пакетов и, возможно, по своему собственному маршруту. Любая ассоциативная связь между пакетами, предполагающая знания об их содержании, должна осуществляться на более высоком уровне семейства протоколов.

IP-уровень семейства TCP/IP не является уровнем, обеспечивающим надежную связь, так как он не гарантирует ни доставку отправленного пакета информации, ни то, что пакет будет доставлен без ошибок. IP вычисляет и проверяет контрольную сумму, которая покрывает только его собственный 20-байтовый заголовок для пакета информации (включающий, например, адреса отправителя и получателя). Если IP-заголовок пакета при передаче оказывается испорченным, то весь пакет просто отбрасывается. Ответственность за повторную передачу пакета тем самым возлагается на вышестоящие уровни.

IP протокол, при необходимости, осуществляет фрагментацию и дефрагментацию данных, передаваемых по сети. Если размер IP-пакета слишком велик для дальнейшей передачи по сети, то полученный пакет разбивается на несколько фрагментов, и каждый фрагмент оформляется в виде нового IP-пакета с теми же адресами отправителя и получателя. Фрагменты собираются в единое целое только в конечной точке своего путешествия. Если при дефрагментации пакета обнаруживается, что, хотя бы один из фрагментов был потерян или отброшен, то отбрасывается и весь пакет целиком.

Уровень Internet отвечает за маршрутизацию пакетов. Для обмена информацией между узлами сети в случае возникновения проблем с маршрутизацией пакетов используется протокол ICMP. С помощью сообщений этого же протокола уровень Internet умеет частично управлять скоростью передачи данных – он может попросить отправителя уменьшить скорость передачи.

Поскольку на уровне Internet информация передается от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю, ему требуются IP-адреса. Мы будем далее рассматривать IP версии 4 (IPv4), которая предполагает наличие у каждого сетевого интерфейса уникального 32-битового адреса. Когда разрабатывалось семейство протоколов TCP/IP, казалось, что 32 битов адреса будет достаточно для всех нужд сети, однако не прошло и 30 лет, как выяснилось, что этого мало. Поэтому была разработана версия 6 для IP (IPv6), предполагающая наличие 128-битовых адресов.

Все IP-адреса версии 4 принято делить на 5 классов. Принадлежность адреса к некоторому классу определяют по количеству последовательных 1 в старших битах адреса (Рис. 3). Адреса классов A, B и C используют собственно для адресации сетевых интерфейсов. Адреса класса D применяются для групповой рассылки информации (multicast addresses). Класс E был зарезервирован для будущих расширений.

Каждый из IP-адресов классов A–C логически делится на две части: идентификатор или номер сети и идентификатор или номер узла в этой сети. Идентификаторы сетей в настоящее время присваиваются локальным сетям специальной международной организацией – корпорацией Internet по присвоению имен и номеров (ICANN). Присвоение адреса конкретному узлу сети, получившей идентификатор, является заботой ее администратора. Класс A предназначен для небольшого количества сетей, содержащих очень много компьютеров, класс C – напротив, для большого количества сетей с малым числом компьютеров. Класс B занимает среднее положение. Надо отметить, что все идентификаторы сетей классов A и B к настоящему моменту уже задействованы.

Рис. 3.Классы IP-адресов

Любая организация, которой был выделен идентификатор сети из любого класса, может произвольным образом разделить имеющееся у нее адресное пространство идентификаторов узлов для создания подсетей.

Допустим, что вам выделен адрес сети класса C, в котором под номер узла сети отведено 8 бит. Если нужно присвоить IP-адреса 100 компьютерам, которые организованы в 10 Ethernet-сегментов по 10 компьютеров в каждом, можно поступить по-разному. Можно присвоить номера от 1 до 100 компьютерам, игнорируя их принадлежность к конкретному сегменту – воспользовавшись стандартной формой IP-адреса. Или же можно выделить несколько старших бит из адресного пространства идентификаторов узлов для идентификации сегмента сети, например 4 бита, а для адресации узлов внутри сегмента использовать оставшиеся 4 бита. Последний способ получил название адресации с использованием подсетей (Рис. 4).

Запоминать четырехбайтовые числа для человека достаточно сложно, поэтому принято записывать IP-адреса в символической форме, переводя значение каждого байта в десятичный вид по отдельности и разделяя полученные десятичные числа в записи точками, начиная со старшего байта: 192.168.253.10.

Рис. 4.Адресация с подсетями

Допустим, что мы имеем дело с сегментом сети, использующим Ethernet на уровне сетевого интерфейса и состоящим из компьютеров, где применяются протоколы TCP/IP на более высоких уровнях. Тогда у нас в сети есть два вида адресов: 48-битовые физические адреса Ethernet (MAC-адреса) и 32-битовые IP-адреса. Для нормальной передачи информации необходимо, чтобы Internet уровень семейства протоколов, обращаясь к уровню сетевого интерфейса, знал, какой физический адрес соответствует данному IP-адресу и наоборот, т.е. умел "разрешать адреса". При разрешении адресов может возникнуть две сложности:

Если мы знаем IP-адреса компьютеров, которым или через которые мы хотим передать данные, то каким образом Internet уровень семейства протоколов TCP/IP сможет определить соответствующие им MAC-адреса? Эта проблема получила название address resolution problem (проблема разрешения адресов).

Пусть у нас есть бездисковые рабочие станции или рабочие станции, на которых операционные системы сгенерированы без назначения IP-адресов. Тогда при старте операционной системы на каждом таком компьютере операционная система знает только MAC-адреса, соответствующие данному компьютеру. Как можно определить, какой Internet-адрес был выделен данной рабочей станции? Эта проблема называется reverse address resolution problem (обратная проблема разрешения адресов).

Первая задача решается с использованием протокола ARP, вторая – с помощью протокола RARP.

Протокол ARP позволяет компьютеру разослать специальное сообщение по всему сегменту сети, которое требует от компьютера, имеющего содержащийся в сообщении IP-адрес, откликнуться и указать свой физический адрес. Это сообщение поступает всем компьютерам в сегменте сети, но откликается на него только тот, кого спрашивали. После получения ответа запрашивавший компьютер может установить необходимое соответствие между IP-адресом и MAC-адресом.

Для решения второй проблемы один или несколько компьютеров в сегменте сети должны выполнять функции RARP-сервера и содержать набор физических адресов для рабочих станций и соответствующих им IP-адресов. Когда рабочая станция с операционной системой, сгенерированной без назначения IP-адреса, начинает свою работу, она получает MAC-адрес от сетевого оборудования и рассылает соответствующий RARP-запрос, содержащий этот адрес, всем компьютерам сегмента сети. Только RARP-сервер, содержащий информацию о соответствии указанного физического адреса и выделенного IP-адреса, откликается на данный запрос и отправляет ответ, содержащий IP-адрес.