🗊Презентация Передача и коммутация данных в компьютерных сетях. Сертификационный курс. Лекция 7. Основы сетевых технологий

Лекция 7. Адресация сетевого уровня и маршрутизация Лекция 7. Адресация сетевого уровня и маршрутизация Сетевой уровень Протокол IP версии 4 Протокол IP версии 6

Сетевой уровень Сетевой уровень При построении сетей передачи данных возникает задача организации связи между различными сетями или подсетями, образующими составную сеть. Эта задача решается с помощью функций сетевого уровня (network layer) модели OSI.

Сетевой уровень Сетевой уровень Основным протоколом сетевого уровня является протокол IP (Internet Protocol), который позволяет передавать данные в сетях TCP/IP между узлами составной сети и выполняет четыре основные функции: адресацию узлов; инкапсуляцию данных; фрагментацию и последующую сборку пакетов; маршрутизацию. Протокол IP не гарантирует надёжной доставки пакета до адресата, эта функция выполняется протоколами более высокого уровня. Такой тип доставки данных называют best-effort.

В настоящее время существует две версии протокола IP: В настоящее время существует две версии протокола IP: IP версии 4 (IPv4): описан в RFC 791 (сентябрь 1981 года), заменившем RFC 760 (январь 1980 года); использует 32-битные адреса, ограничивающие адресное пространство 4 294 967 296 (232) возможными уникальными адресами. IP версии 6 (IPv6): описан в серии RFC, начиная с RFC 1883; использует 128-битные адреса (3,4·1038 уникальных адресов).

Формат пакета IPv4 Формат пакета IPv4

Обзор адресации сетевого уровня Обзор адресации сетевого уровня Для того чтобы устройство могло участвовать в межсетевом взаимодействии с помощью протокола IP, ему должен быть присвоен уникальный IP-адрес, который позволяет однозначно идентифицировать интерфейс между устройством и сетью. IP-адрес не идентифицирует непосредственно устройство. Некоторые устройства, например, маршрутизаторы, могут иметь более одного сетевого подключения и соответственно несколько IP-адресов.

Обзор адресации сетевого уровня Обзор адресации сетевого уровня Каждое устройство, которое выполняет передачу данных, имеет связанный с ним физический адрес (МАС-адрес) на канальном уровне и назначенный ему логический адрес (IP-адрес) на сетевом уровне, который иногда называют адресом третьего уровня.

Представление IPv4-адреса Представление IPv4-адреса Адрес IPv4 представляет собой 32-разрядное (4 байта) двоичное поле. Для удобства восприятия и запоминания этот адрес разделяют на 4 части по 8 бит (октеты), каждый октет переводят в десятичное число и при записи разделяют точками. Это представление адреса называется десятично-точечной нотацией.

Преобразование октета из двоичного вида в десятичный: Преобразование октета из двоичного вида в десятичный:

Адрес IPv4 Адрес IPv4 IPv4-адрес структурирован и состоит из двух логических частей: Идентификатор сети - Network Identifier (Net ID) – определяет конкретную сеть или сегмент сети, в которой находится узел и используется для маршрутизации. Идентификатор узла - Host Identifier (Host ID) – используется для уникальной идентификации узла внутри сети или сегмента сети.

Классовая адресация IPv4 Классовая адресация IPv4 Задача: оптимизация адресов с точки зрения максимально эффективного использования IPv4-адресного пространства. Решение: использование классовой модели IP-адресации. Все пространство IP-адресов делится на 5 классов в зависимости от значения первых четырех бит IPv4-адреса. Классам присвоены имена от А до Е.

Классовая адресация IPv4 Классовая адресация IPv4 Согласно классовой модели адресации, существует определенное количество сетей каждого класса и в сети каждого класса может быть адресовано только определенное количество сетевых узлов.

Частные и публичные адреса IPv4 Частные и публичные адреса IPv4 Публичные (public) IP-адреса – уникальные адреса, которые не должны повторяться в глобальной сети. Частные (private) IP-адреса – используются в локальных сетях и не маршрутизируются в глобальную сеть. Публичные адреса находятся в пределах от 1.0.0.1 до 223.255.255.254 за исключением частных адресов IPv4. Адресное пространство частных IPv4-адресов состоит из 3 блоков: 10.0.0.0 – 10.255.255.255 (класс А); 172.16.0.0 – 172.31.255.255 (класс B); 192.168.0.0 – 192.168.255.255 (класс С).

Изначально IPv4-адрес имел два уровня иерархии: идентификатор сети и идентификатор узла. Изначально IPv4-адрес имел два уровня иерархии: идентификатор сети и идентификатор узла. Каждой организации выдавался IPv4-адрес из нужного диапазона (А, В и С) в зависимости от текущего числа компьютеров и его планируемого увеличения. Для более эффективного использования адресного пространства были внесены изменения в существующую классовую систему адресации. В RFC 950 была описана процедура разбиения сетей на подсети, и в структуру IPv4-адреса был добавлен еще один уровень – подсеть (subnetwork).

Разбиение одной крупной сети на несколько мелких позволяет: Разбиение одной крупной сети на несколько мелких позволяет: лучше соответствовать физической структуре сети; рационально использовать адресное пространство (т.е. для каждого сегмента сети не требуется выделять целиком блок IP-адресов класса А, В или С, а только его часть); упростить маршрутизацию; повысить безопасность и управляемость сети (за счет уменьшения размеров сегментов и изоляции трафика сегментов друг друга).

Маска подсети Маска подсети С появлением трехуровневой иерархии IPv4-адреса потребовались дополнительные методы, которые позволяли бы определить, какая часть адреса указывает на идентификатор сети, а какая – на идентификатор узла. Было предложено использовать маску подсети. Маска подсети (subnet mask) – это 32-битное число, двоичная запись которого содержит непрерывную последовательность единиц в тех разрядах, которые определяют идентификатор подсети и непрерывную последовательность нулей в тех разрядах, которые определяют идентификатор узла. Маска подсети записывается в десятично-точечной нотации аналогично IPv4-адресу.

Маска подсети Маска подсети Чтобы получить адрес сети, зная IPv4-адрес и маску подсети, необходимо применить к ним операцию логическое «И». Другими словами, в тех позициях IPv4-адреса, в которых в маске подсети стоят двоичные 1, находится идентификатор сети, а где двоичные 0 – идентификатор узла.

Маски подсети для стандартных классов сетей Маски подсети для стандартных классов сетей Для сетей класса А, В и С определены фиксированные маски подсети, которые жестко определяют количество возможных IPv4-адресов и механизм маршрутизации.

Планирование подсетей Планирование подсетей При использовании масок подсети сети можно разделять на меньшие по размеру подсети путем расширения сетевой части адреса и уменьшения узловой части. Для вычисления количества подсетей существует формула 2s, где s – количество бит, занятых под идентификатор сети из части, отведенной под идентификатор узла. Количество узлов в каждой подсети вычисляется по формуле 2n-2, где n – количество бит, оставшихся в части, идентифицирующей узел, а два адреса – адрес подсети и широковещательный адрес – в каждой полученной подсети зарезервированы.

Пример планирования подсетей Пример планирования подсетей Задача: разбить сеть 192.168.1.0 на 20 подсетей по 6 компьютеров в каждой. Решение: 1. Определить, к какому классу относится IPv4-адрес. 192.168.1.0 – это класс С, стандартная маска подсети класса С – 255.255.255.0; 2. Определить количество бит, занимаемых для формирования 20 подсетей. Поскольку найти число, при котором степень 2 будет равна 20 невозможно, выбираем ближайшее большее число 25 = 32. Таким образом, количество бит подсети = 5, количество бит для идентификации узлов в подсети = 3.

Пример планирования подсетей Пример планирования подсетей

Технология VLSM (Variable Length Subnet Mask, маска подсети переменной длины) позволяет организации использовать более одной маски подсети внутри того же самого адресного пространства и делить сеть на подсети разных размеров. Технология VLSM (Variable Length Subnet Mask, маска подсети переменной длины) позволяет организации использовать более одной маски подсети внутри того же самого адресного пространства и делить сеть на подсети разных размеров. Была создана в 1987 году и определена в RFC 1009. Маска VLSM позволяет разбить сеть на подсети, а потом подсеть разбить еще на подсети с различными масками подсети. Вместо маски подсети в VLSM используется нотация «IP-адрес/длина префикса», аналогичная нотации бесклассовой адресации. Число после «/» означает количество единичных разрядов в маске подсети. Например, адрес 192.168.1.8 с маской подсети 255.255.255.248 может быть записан 192.168.1.8/29

Задача: организации выделена сеть класса С 192.168.1.0/24. Требуется разделить ее на 6 подсетей. В подсетях 1, 2, 3 и 4 должно быть 10 узлов, в 5-й подсети – 50, в 6-й подсети – 100. Задача: организации выделена сеть класса С 192.168.1.0/24. Требуется разделить ее на 6 подсетей. В подсетях 1, 2, 3 и 4 должно быть 10 узлов, в 5-й подсети – 50, в 6-й подсети – 100. Теоретически для сети 192.168.1.0/24 допустимое количество узлов равно 254, и разбить такую сеть на подсети с требуемым количеством узлов без использования VLSM невозможно.

Классовая модель адресации оказалась нерациональной с точки зрения эффективного использования адресного пространства. Классовая модель адресации оказалась нерациональной с точки зрения эффективного использования адресного пространства. Разбиение сетей на подсети также не помогло повысить эффективность использования адресного пространства, т.к. оно применялось внутри «классовых» адресных блоков, и также не смогло решить проблему экспоненциального увеличения размера таблиц маршрутизации. Решение проблемы было найдено в отказе от классовой схемы адресации и использовании бесклассовой модели. Бесклассовая модель адресации получила название бесклассовой междоменной маршрутизации (Classless Inter Domain Routing, CIDR). В бесклассовой модели IPv4-адресации: исключается понятие классов; применяется концепция VLSM. Для того чтобы провести границу между номером сети и номером узла CIDR использует маску подсети. Однако CIDR вместо привычной 32-х разрядной двоичной маски подсети использует слэш-нотацию (slash notation), которую также называют CIDR-нотацией (CIDR notation). Это метод записи с помощью косой черты «/». Количество битов, отведенных под идентификатор сети (network ID), которое называется длиной префикса, записывается после «/», следующей за IP-адресом - «IP-адрес/длина префикса».

Существует несколько аспектов адресации, которые были определены в рамках классовой схемы и перешли без изменения в CIDR: Существует несколько аспектов адресации, которые были определены в рамках классовой схемы и перешли без изменения в CIDR: блоки частных IP-адресов; IP-адреса специального назначения; адреса интерфейса обратной петли (loopback).

IANA (Internet Assigned Numbers Authority) - агентство по выделению имен и уникальных параметров протоколов Интернет. IANA (Internet Assigned Numbers Authority) - агентство по выделению имен и уникальных параметров протоколов Интернет. Первоначальная схема IP-адресации была основана на классах, поэтому IANA назначала организациям блоки адресов класса A, B и C. С появлением CIDR IANA стала делить адресное пространство на большие блоки, которые распределяет среди пяти региональных Интернет-реестров (Regional Internet Registries, RIR): AFRINIC (Африка), APNIC (Азия/Тихоокеанский регион), ARIN (Канада, США и некоторые Карибские острова), LACNIC (Латинская Америка и некоторые Карибские острова) RIPE NCC (Европа, Ближний Восток и Центральная Азия). Региональные Интернет-реестры далее делят выделенные блоки адресов и выделяют их национальным Интернет-реестрам (National Internet Registries, NIR), локальным Интернет-реестрам (Local Internet Registries, LIR) и/или организациям, таким как провайдеры Интернет.

Фиксированный заголовок состоит из 40 байт и имеет следующий формат: Фиксированный заголовок состоит из 40 байт и имеет следующий формат:

Расширенные заголовки IPv6 Расширенные заголовки IPv6 Используются для поддержки механизмов безопасности, фрагментации, сетевого управления и расположены между фиксированным заголовком и заголовком протокола более высокого уровня. Пакет IPv6 может содержать 0, 1 или несколько расширенных заголовков, каждый из которых идентифицируется значением поля Next Header предшествующего заголовка.

Расширенные заголовки IPv6 Расширенные заголовки IPv6

Сравнение форматов пакетов IPv4 и IPv6 Сравнение форматов пакетов IPv4 и IPv6

Представление адреса IPv6 Представление адреса IPv6 Адрес IPv6 имеет длину 128 бит и записывается как восемь групп по четыре шестнадцатеричные цифры, разделенные двоеточием. Например, 2001:0DB8:AC10:FE01:0018:8BFF:FED8:E3E0 Существует несколько способов, которые позволяют сократить запись IPv6-адреса: нули в начале группы можно заменить одним; одна или несколько идущих подряд групп, состоящих из нулей, может быть заменена знаком «::»; 0001:0123:0000:0000:0000:ABCD:0000:0001 0001:0123:0:0:0:ABCD:0:1 1:123::ABCD:0:1 конечные нули в группе должны присутствовать. 2001:1000:0000:0000:0000:ABCD:0000:0001 2001:1000::ABCD:0:1

Представление адреса IPv6 Представление адреса IPv6 Альтернативной формой записи адреса, которая удобна для использования в смешанной среде с узлами IPv4 и IPv6, является запись вида x:x:x:x:x:x:d.d.d.d «х»- шестнадцатеричное значение 6 первых групп адреса, «d» - десятичное значение 4 последних групп адреса (стандартное представление адреса IPv4). 0:0:0:0:0:0:13.1.68.3 или ::13.1.68 0:0:0:0:0:FFFF:129.144.52.38 или ::FFFF:129.144.52.38

Структура адреса IPv6 Структура адреса IPv6 IPv6-адрес состоит из двух логических частей: Префикс (Prefix) – часть адреса, отведенная под идентификатор сети/подсети. Длина префикса (Prefix length) - количество битов, отведенных под идентификатор сети. Идентификатор интерфейса (Interface ID) – часть адреса, идентифицирующая интерфейс. Он должен быть уникальным внутри сети/подсети. Представление префикса адреса IPv6 аналогично записи префикса адреса IPv4 в нотации CIDR. адрес IPv6/длина префикса Пример записи префикса 12AB00000000CD3 (аналогично записи номера сети/подсети в IPv4): 12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60 или 12AB::CD30:0:0:0:0/60 или 12AB:0:0:CD30::/60

Типы IPv6-адресов Типы IPv6-адресов Адресное пространство протокола IPv6 разделено на три типа адресов: Индивидуальные адреса (unicast) идентифицируют один интерфейс устройства. Пакеты, отправленные на этот адрес, доставляются только на этот интерфейс; Групповые адреса (multicast) идентифицируют группу адресов. Пакеты, посылаемые на этот адрес, доставляются всем интерфейсам – участникам группы; Альтернативные адреса (anycast) позволяют адресовать группу интерфейсов (обычно принадлежащих разным узлам). Однако в отличие от групповых адресов, пакеты, передаваемые на альтернативный адрес, доставляются на один из интерфейсов (обычно «ближайший» интерфейс, согласно метрике маршрутизации), определяемых этим адресом. Широковещательные адреса (broadcast), которые используются в IPv4, в IPv6 отсутствуют, что способствует уменьшению сетевого трафика и снижению нагрузки на большинство систем. Широковещательные адреса заменены групповыми.

Существует несколько типов индивидуальных IPv6-адресов: Существует несколько типов индивидуальных IPv6-адресов: Global Unicast; Unique-Local Unicast; Link-Local Unicast. Интерфейс всегда имеет адреса Link-Local, Unique-Local и Global. Для каждого типа индивидуальных адресов определен свой диапазон:

Формирование идентификатора интерфейса из МАС-адреса Формирование идентификатора интерфейса из МАС-адреса МАС-адрес состоит из 48-бит, для идентификатора необходимо 64 бита, поэтому требуется расширение МАС-адреса преобразованием его в адрес Modified EUI-64: МАС-адрес делится не две части по 24 бита; Между ними вставляется блок битов FFFE; Бит «universal/local» (7 бит слева) изменяется с 0 на 1 (бит, определяющий является ли МАС-адрес универсальным или локально администрируемым).

Адреса Global Unicast: Адреса Global Unicast: используются для идентификации устройств в глобальной сети и являются аналогом публичных IPv4-адресов; выдаются IANA (Internet Assigned Numbers Authority) региональным регистраторам; в настоящее время назначаются с префикса 2000::/3. Общий формат адреса IPv6 Global Unicast: Формат адреса IPv6 Global Unicast с идентификатором интерфейса длиной 64 бита:

Адреса Global Unicast: Адреса Global Unicast: используются для идентификации устройств в глобальной сети и являются аналогом публичных IPv4-адресов; выдаются IANA (Internet Assigned Numbers Authority) региональным регистраторам; в настоящее время назначаются с префикса 2000::/3. Формат адреса IPv6 Global Unicast с идентификатором интерфейса длиной 64 бита и префиксом 2000::/3: Формат адреса IPv4-mapped IPv6:

Адреса Unique-Local Unicast: Адреса Unique-Local Unicast: являются глобально уникальными и предназначены для адресации узлов внутри локальной сети; эквивалентны частным IPv4-адресам, однако в отличие от них являются уникальными в рамках глобальной сети; начинаются с префикса FC00::/7. Общий формат Unique-Local Unicast IPv6-адреса следующий:

Адреса Link-Local Unicast: Адреса Link-Local Unicast: предназначены для взаимодействия внутри сегмента сети или по каналу связи «точка-точка»; используются только в пределах канала связи; маршрутизаторы не передают Link-Local Unicast-пакеты через другие каналы связи; автоматически назначаются узлу независимо от наличия в сети маршрутизатора или DHCPv6-сервера; начинаются с префикса FE80::/10. Общий формат Link-Local Unicast IPv6-адреса следующий:

Альтернативный адрес IPv6 назначается нескольким интерфейсам. При этом пакет, отправленный на этот адрес, направляется на «ближайший» (имеющий минимальную метрику маршрутизации) интерфейс. Альтернативный адрес IPv6 назначается нескольким интерфейсам. При этом пакет, отправленный на этот адрес, направляется на «ближайший» (имеющий минимальную метрику маршрутизации) интерфейс.

Групповые адреса IPv6: Групповые адреса IPv6: идентифицируют группу интерфейсов, участвующую в получении одного и того же контента (например, видео); начинаются с префикса FF00::/8. Общий формат группового IPv6-адреса следующий:

Групповые IPv6-адреса Групповые IPv6-адреса Поле Scope определяет область действия данного группового адреса, т. е. показывает, как далеко друг от друга могут находится члены одной многоадресной группы.

Групповые IPv6-адреса Групповые IPv6-адреса Функцию широковещательных адресов в протоколе IPv6 выполняют специальные групповые адреса, которые не назначаются многоадресным группам: FF01::1 – идентифицирует группу, включающую в себя все IPv6-узлы в пределах диапазона Interface-Local; FF02::1 – идентифицирует группу, включающую в себя все IPv6-узлы в пределах диапазона Link-Local; FF01::2 – идентифицирует группу всех IPv6-маршрутизаторов в пределах диапазона Interface-Local; FF02::2 – идентифицирует группу всех IPv6-маршрутизаторов в пределах диапазона Link-Local; FF05::2 – идентифицирует группу всех IPv6-маршрутизаторов в пределах диапазона Site-Local.

Специальный групповой адрес Solicited-Node: Специальный групповой адрес Solicited-Node: используется в процессе разрешения IPv6-адресов для сегмента сети; присваивается каждому интерфейсу вместе с индивидуальными адресами; используется только на канале связи или в сегментах сети. Генерация адреса: младшие 24 бита поля Interface ID индивидуального или альтернативного адреса + префикс FF02:0:0:0:0:1:FF00::/104 Пример:

Автоматическая конфигурация: Автоматическая конфигурация: Stateless autoconfiguration; Stateful autoconfiguration; Статическая конфигурация.

Автоматическая конфигурация IPv6-адреса Автоматическая конфигурация IPv6-адреса В отличие от протокола IPv4, где настройка параметров узла проводилась либо вручную, либо с помощью протокола DHCP, в протоколе IPv6 узел может практически самостоятельно сконфигурировать параметры своих интерфейсов. В протоколе IPv6 определены два механизма автоконфигурации: Stateless autoconfiguration: описан в RFC 4862; позволяет узлам генерировать свой собственный адрес на основе комбинации доступной информации, объявляемой маршрутизаторами. Маршрутизаторы объявляют префиксы, идентифицирующие подсеть (или подсети), а узлы самостоятельно генерируют идентификаторы интерфейсов. При отсутствии маршрутизаторов узлы могут автоматически генерировать Link-Local Unicast IPv6-адрес. Stateful autoconfiguration: описан в RFC 3315; позволяет узлам получать адрес интерфейса и/или конфигурационные параметры с помощью протокола DHCPv6. Механизмы автоконфигурации stateless и stateful могут дополнять друг друга и использоваться совместно.

Stateless autoconfiguration Stateless autoconfiguration Рассмотрим последовательность действий, которые выполняются в процессе автоконфигурации узла: Шаг 1. Генерация адреса Link-Local IPv6 Unicast с префиксом FE80::/10; Шаг 2. Тестирование адреса на уникальность. Узел проверяет используется ли уже такой адрес в локальном сегменте. Для этого он отправляет сообщение Neighbor Solicitation протокола Neighbor Discovery Protocol (NDP). Если в ответ на него получено сообщение Neighbor Advertisement, значит этот адрес уже используется другим узлом. В этом случае процесс автоконфигурации завершается и требуется ручная настройка; Шаг 3. Присвоение адреса Link-Local Unicast. Если тест на уникальность пройден успешно, узел присваивает сгенерированный на шаге 1 IPv6-адрес; Шаг 4. Обнаружение маршрутизатора. После присвоения интерфейсу Link-Local-адреса узел отправляет сообщение Router Solicitation (RS) протокола NDP. Если в сети имеются маршрутизаторы, они отвечают сообщением Router Advertisement (RA) и сообщают узлам, каким образом продолжать процесс автоконфигурации;

Stateless autoconfiguration Stateless autoconfiguration Шаг 5. Генерация Global Unicast-адреса. В случае Stateless autoconfiguration Global Unicast-адреса состоит из префикса, предоставленного маршрутизатором и идентификатора интерфейса, созданного на шаге 1.

Статическая конфигурация IPv6-адреса Статическая конфигурация IPv6-адреса В протоколе IPv6, так же как и в протоколе IPv4, существует возможность ручной настройки на интерфейсе IPv6-адреса, шлюза по умолчанию, длины префикса.

Задача: Задача: Организация планирует использовать в своей сети Unique-Local Unicast-адреса и хочет разбить сеть на 5 подсетей. Решение: Формируется префикс сети. Unique-Local Unicast-адреса начинаются с префикса FD00::/8; С помощью генератора локальных адресов IPv6 получаем Global ID (40 бит), например 895a473947. Назначаем 5 номеров подсети (Subnet ID) разрядностью 16 бит. Можно также воспользоваться генератором для получения номера подсети.

Спасибо за внимание!