Формат дейтаграммы протокола IPv4

Дейтаграмма состоит из заголовка и поля данных, которое следует сразу за заголовком. Длина поля данных определяется полем «Общая длина» в заголов­ке. На рис. 8.1 показан формат заголовка IР-дейтаграммы.

Поле «Номер версии» указывает на версию используемого протокола IP. В настоящее время распространена версия 4, но уже используется и версии 6. Связь между абонентами гарантируется только в том случае, если все они работают с одной версией протокола IP. Перед обработкой дейтаграммы это поле проверяется. Если используется, например, версия 4, то при обработке будут отбрасываться дейтаграммы с версией 6.

Поле «Длина заголовка», определяет длину заголовка в 32-битовых словах. Заголовок может иметь минимальный размер 5 слов. При увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет поля «Опции».

Поле «Тип сервиса» определяет способ обслуживания дейтаграммы. Первые три бита (0-2) этого поля задают приоритет дейтаграммы. Возможные значения приоритета: от 0 (обычная дейтаграмма) до 7 (управляющая дейтаграмма). Устройства в сети учитывают приоритет дей­таграммы и обрабатывают в первую очередь более важные. Информация в остальных битах поля используется протоколами маршрутизации OSPF и BGP. Протоколы маршрутизации отвечают за вычисление наилучшего маршрута к получателю, основываясь на понятии «стоимость пути». Ею может быть скорость, надежность и т. д.

Третий бит (бит 2 — отсчет начинается с нулевого бита) определяет вид за­держки: 0 — нормальная задержка, 1 — малая задержка. Этот бит учитывается различными алгоритмами управления перегрузкой сети. Четвертый бит (3) оп­ределяет пропускную способность (нормальная или высокая). Пятый бит (4) определяет надежность доставки. Шестой и седьмой биты зарезервированы. Программное обеспечение большинства рабочих станций и маршру­тизаторов игнорирует тип сервиса.

Протокол IP обрабатывает каждую дейтаграмму в независимости от ее при­надлежности к тому или иному пакету. При этом используются четыре основ­ных механизма: установка типа сервиса, установка времени жизни, установка опций и вычисление контрольной суммы заголовка. Тип сервиса характеризует набор услуг, которые требуются от маршрутизаторов в распределенной сети. Эти параметры должны использоваться для управления выбором реальных ра­бочих характеристик при передаче дейтаграмм. В некоторых случаях передача дейтаграммы осуществляется с установкой приоритета, который дает данной дейтаграмме по сравнению с остальными некоторые преимущества при обработ­ке. Тип сервиса определяется тремя показателями: малой задержкой при переда­че, высокой достоверностью и большой пропускной способностью. Эти три показателя являются критериями для выбора оптимального маршрута дейтаграммы.

Поле «Время жизни». При определенных условиях IP-дейтаграммы могут попасть в замкнутый логический контур, образованный некоторой группой маршрутизаторов. Чтобы избавить сеть от дейтаграмм, циркулирующих в таких логических конту­рах слишком долго, протоколом IP устанавливается предельный срок пребы­вания дейтаграммы в сети. Он задается в поле «Время жизни» — TTL. (Time To Live), Его содержимое уменьшается на единицу при прохождении дейтаграммы через маршрутизатор; при обнулении поля TTL дейтаграмма отбрасывается.

Первоначально спецификации IP включали еще одно требование: поле TTL должно уменьшаться, по крайней мере, один раз в секунду. Поскольку поле TTL является восьмиразрядным, это означает, что дейтаграмма могла находиться в сети не более 4.25 мин. На практике требование ежесекундного уменьшения поля TTL игнорируется, тем не менее в спецификациях многих протоколов следующих уровней (TCP) по-прежнему предполагается, что максимальное время жизни дейтаграммы в сети составляет лишь две минуты.

Поле «Идентификатор» используется для распознавания дейтаграмм, образованных в результате фрагментации. Все фрагменты фрагментированного пакета должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле «Общая длина» указывает общую длину дейтаграммы (заголовок и поле данных. Максимальный размер дейтаграммы может составлять 65535 байт. В подавляющем большинстве сетей столь большой размер дейтаграмм не используется. По стандарту все устройства в сети должны быть готовы принимать дейтаграммы длиной 576 байт. Эти ограничения необходимы для передачи дейтаграмм в физических кадрах.

Функции фрагментации и сборки также возложены на протокол IP. Фраг­ментация — это разделение большой дейтаграммы на несколько небольших частей. В большинстве локальных и глобальных сетей есть ограничения на максимальный размер кадра. Эту величину называют максимальной единица передачи (Maximum Transmission Unit - MTU). Например, в сетях Ethernet данная величина составляет 1500 байт, а в сетях FDDI - 4096 байт.

Существует связь между полями «Время жизни» и «Идентификатор». Во избежание смешивания фрагментов двух разных дейтаграмм источник IP-данных обязан исключить ситуацию, когда в один пункт назначения по одному и тому же протоколу в течение жизненного цикла дейтаграммы будут отправлены две дейтаграммы с совпадающими идентификаторами. В связи с тем, что идентификатор 16-разрядный, а наибольшее время жизни дейтаграммы исчисляется минутами (будем считать, что оно порядка 2 мин), получаем скорость передачи — 546 дейтаграмм в секунду. При максимальном размере дейтаграммы, равном 64 Кбайт, имеем общую скорость около 300 Мбит/с.

Поле «Флаги» используется при фрагментации. Нулевой первый бит разре­шает фрагментацию, единичный — запрещает. Единичный второй бит указывает на последний фрагмент дейтаграммы.

Поле «Смещение фрагмента» используется для указания смещения данных во фрагменте относительно начала исходной дейтаграммы. Чтобы получить смещение в байтах, надо значение этого поля умножить на 8. Первый фрагмент всегда имеет нулевое смещение. Поле используется при сборке фрагментов дейтаграммы после передачи по сетям с различными MTU.

Поле «Протокол» показывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит дейтаграмма. При поступлении дейтаграммы это поле указывает, какому приложению следует ее передать. Например, значение этого поля 89 указывает на протокол OSPF, а значение 4 – на протокол IP.

Поле «Контрольная сумма» рассчитывается по всему заголовку. Так как не­которые поля заголовка меняют свое значение, например время жизни, при прохождении дейтаграммы через маршрутизаторы контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой модификации заголовка. Определение контрольной суммы заголовка обеспечивает безошибочность передачи дейтаграммы через сеть. При обнаружении ошибки в контрольной сумме дейтаграмма отбрасывается.

Поля «Адрес отправителя» и «Адрес получателя» имеют одинаковые длину и структуру. Поля содержат 32-битные IP-адреса отправителя и получателя дейтаграммы.

Поле «Опции» необязательно и обычно используется при настройке сети. В этом поле могут быть указаны точный маршрут прохождения дейтаграммы в распределенной сети, данные о безопасности, различные временные отметки и т. д. Поле не имеет фиксированной длины, поэтому для выравнивания заголовка до 32-битной границе предусмотрено следующее поле — поле «Выравнивание». Выравнивание осуществляется нулями.

Для плавного перехода к протоколу IPv6 введен специальный тип адресов — IPv4-compatible (совместимые адреса). В этих адресах старшие 96 бит содержат нули, а младшие 32 бита — обычный адрес IPv4.

Для упрощения обработки заголовка дейтаграммы в протоколе IPv6 введены основной и дополнительный заголовки. Основной заголовок присутствует всегда. Дополнительный заголовок определяет некоторые необязательные парамет­ры. Основной заголовок имеет длину 40 байт (рис. 8.4).

Поле «Тип протокола» определяет тип заголовка, который следует за данными. Каждый следующий дополнительный заголовок содержит это поле. Если дейтаграмма не содержит дополнительных заголовков, то значение этого определяет протокол - ТСР, UDP, RIP или OSPF.

Поле «Время жизни» введено для более эффективного определения времени жизни дейтаграмм. В протоколе IPv4 поле времени жизни дейтаграммы уменьшается на единицу (по крайней мере) при прохождении каждого маршрутизатора, При этом время ожидания в очереди не учитывается.

Поле «Приоритет» позволяет отправителю задать приоритет своих дейтаграмм. Возможные 16 значений этого поля разделены на две категории: значения от 0 до 7 определяют трафик, которым маршрутизатор при необходимости может пренебречь, а значения от 8 до 15 указывают на трафик, к которому эти меры применяться не могут (аудио- и видеоинформация, передаваемая с постоянной скоростью в реальном времени). Используя поля «Приоритет» и «Метка потока» устройства могут идентифицировать дейтаграммы, которым требуется нестандартное обслуживание на маршрутизаторах.

Каждый дополнительный заголовок содержит тип следующего за ним заго­ловка, что позволяет создать цепочку заголовков. Основной заголовок является первым в цепочке и не содержит дополнительных заголовков. Поле «Следую­щий заголовок» указывает, какой дополнительный заголовок следует за основным. Поле «Следующий заголовок» первого дополнительного заголовка указывает на тип второго дополнительного заголовка и т. д. Это продолжается до тех пор, пока в поле «Следующий заголовок» очередного дополнительного заголовка не встретится запись о том, что далее, например, следует заголовок протокола ТСР.

Поле «Метка потока» — это признак, который указывает на принадлежность данной дейтаграммы к последовательности дейтаграмм — потоку, который требует определенных параметров обслуживания. Маршрутизаторы обрабатывают потоки на основании значения метки и идентификатора отправителя дейтаграмм.

В отличие от протокола IPv4, механизмы разрешения адресов и их настройки в протоколе IPv6 реализованы на сетевом уровне, а не на канальном (протокол ARP). Протокол обнаружения (Neighbor Discovery), который используется для нахождения маршрутизаторов и соседей, является интегральной частью IPv6.

Таким образом, усовершенствование протокола IPv6 по сравнению с IPv4 состоит в том, что:

1) используется 128-разрядная, кластерная схема адресации вместо простой 32-разрядной. Кластерная адресация означает то, что кластерные адреса идентифицируют группу узлов с общим адресным префиксом, хотя пакет предназначен конкретному узлу группы;

2) размер заголовка дейтаграммы уменьшен почти в 2 раза и упрощен его формат;

3) используется автоматическое назначение адресов, т.е. сам протокол запрашивает DNS-сервер и не используется протокол ARP;

4) простой переход между IPv4 и IPv6-адресами, который достигается за счет использования адреса специального вида, где выделяют 96-разрядный префикс в старших разрядах и 32-разрядный IPv4-адрес в младших разрядах.