Учебное пособие по информатике 2014. Основы информатики
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
5.7 Протокол IPv6. Проблемы и перспективы развития Internet- адресации Скажем еще несколько слово о протоколе IPv4 (RFC-791), на котором в данный момент основан Internet почти полностью, т.к. IPv4 является основной частью стека TCP/IP. Этот протокол занимается маршрутизацией в сетях, т.е. он направляет пакет по пути от отправителя до получателя. IP-протокол посылает данные дейтограммами. Каждая такая дейтаграмма, кроме передаваемых данных, содержит в себе и заголовок. Обычно заголовок содержит 20 октетов, т.е. имеет длину 20 байт, но эта длина может варьироваться, что отнюдь не упрощает процесс передачи данных. Наиболее важными в рамках обсуждаемого вопроса полями заголовка являются поля IP-адресов (адрес отправителя и получателя), поле тип сервиса (изначально неиспользовавшееся, а теперь устаревшее) и поле протокол (определяющее структуру поля "данные", т.е. в соответствии с каким протоколом они кодировались). Итак, перечислим общие недостатки протокола IPv4: - дефицит адресного пространства: количество различных устройств, подключаемых к сети Internet, растет экспоненциально, размер адресного пространства 2 32 быстро истощается; - слабая расширяемость протокола: недостаточный размер заголовка IPv4, не позволяющий разместить требуемое количество дополнительных параметров в нем; - проблема безопасности коммуникаций: не предусмотрено каких-либо средств для разграничения доступа к информации, размещенной в сети. - отсутствие поддержки качества обслуживания: не поддерживается размещение информации о пропускной способности, задержках, требуемой для нормальной работы некоторых сетевых приложений; - проблемы, связанные с механизмом фрагментации: не определяется 243 размер максимального блока передачи данных по каждому конкретному пути; - отсутствие механизма автоматической конфигурации адресов; - проблема перенумерации машин. Поля IP-адресов содержат IP-адреса отправителя и получателя. В IPv4 IP-адрес состоит из 4 байт и часто представляется в виде 4 чисел, размером 1 байт, разделяемые точками, что даёт чуть больше 4 миллиардов различных адресов. В такой схеме каждый компьютер в Internet имеет свой уникальный адрес. Но при появлении Internet-ресурсов адреса распределялись огромными блоками. Так Массачусетский университет имеет у себя блок в 16 миллионов адресов, в то время, когда средний по величине провайдер имеет несколько тысяч адресов(при намного (!) меньшем количестве линий связи). Такое "растранжиривание" IP-адресов привело к тому, что их пространство начало заканчиваться и ощущаться нехватка. Фактически в 2012 году 32-битное пространство адресов исчерпало себя, что привело к некоторой задержке в развитии Internet. Хотя и были предприняты меры решения этой проблемы (например технологии выделения блоков по 2 адреса и технология раздачи динамических IP-адресов DHCP, а так же NAT, позволяющая транслировать IP-адреса из внешней сети во внутреннюю), всё равно, "финал" удалось лишь отсрочить. При нынешних темпах роста Internet, согласно IPv4 Address Space Report (bgp.potaroo.net/ipv4), не розданные пока адреса закончатся к 2018 году, а 32-битное IP-пространство абсолютно полностью исчерпается в 2040 году (хотя есть и намного менее оптимистичные прогнозы). Проблема адресного пространства IPv4 считается основной, но она не главная и не единственная. Проблемы масштабируемости IPv4 на этом не заканчиваются. Есть также проблемы связанные с транспортировкой данных, заключающиеся в сложности маршрутизации и, следовательно, разрастании таблиц маршрутизации. Хоть эту проблему и пытались решить введением бесклассовой междоменной маршрутизацией (CIDR), всё равно она этим не разрешилась, зато IP-администрирование от этого усложнилось (всё же трудно построить и упорядочить структуру адресов в 32-битном пространстве). Также существует сложность обработки IP-заголовка. Существенное число полей, которое он содержит, отнюдь не облегчает жизнь процессам, обрабатывающим такие заголовки, ведь некоторые поля заголовка уже потеряли свою значимость, а другие возможно существенно упростить. Также переменная длина заголовка заставляет постоянно пересчитывать контрольную сумму, а при высоких скоростях это сильно загрузит процессор. Также, в IPv4 отсутствуют некоторые механизмы, необходимые по современным меркам. Это механизмы информационной безопасности и средства поддержки классов обслуживания. Отсутствуют методы шифрования данных, которые сейчас на практике очень пригождаются. А такие средства должны быть реализованы именно на сетевом уровне, чтобы не переносить эти задачи этим приложения. Обеспечить поддержку классов 244 обслуживания должны опять же маршрутизаторы, связывающие системы, чтобы эта задача не ставилась на уровне приложений, что опять же приведёт к усложнению и нестабильности работы. Реализовывать эти механизмы на IPv4 дополнительно - пустая трата времени. Всё равно придётся для этого вносить изменения в весь стек TCP/IP, что в любом случае приведёт к некоторому усложнению работы, связанному с переходом на новый стандарт. В итоге, можно сказать, что IPv4 отслужил почти 30 лет верой и правдой и мог бы служить дальше, но не стоит терпеть устаревший протокол, содержащий неисправимые на сетевом уровне недостатки, в то время, когда на смену ему давно готова отличная альтернатива - IPv6. История IPv6 (RFC-2460) начинается с 1992 года. Тогда он был разработан для решения проблем адресного пространства и ряда смежных задач. Решено, что адресное пространство IPv6 будет распределяться IANA (Internet Assigned Numbers Authority - комиссия по стандартным числам в Internet [RFC-1881]), которая будет иметь региональных представителей, которые будут подробно заниматься выдачей IP-адресов в своих областях. Такое распределение не будет необратимым. IANA сможет в любой момент перераспределить адресное пространство, в случае допущения ошибок при его распределении. Иными словами, все сделано так, чтобы не повторить прежних ошибок IPv4. Что касается самого адресного пространства, то оно будет расширено с прежних 4 миллиардов с небольшим IPv4 до 340 282 366 920 938 463 463 374 607 431 768 211 456 адресов! IP-пространство IPv6 будет 128-битным, что добавит возможностей маршрутизации. Адреса IPv6 также способны бесконтекстно автоконфигурироваться. Такие адреса существенно упростят маршрутизацию и сократят таблицы маршрутизации в несколько раз. Кроме явного преимущества в расширении адресного пространства, можно выделить следующие преимущества IPv6 над IPv4: - Возможность автоконфигурирования IP адресов; - Упрощение маршрутизации; - Облегчение (упрощение) заголовка пакета; - Поддержка качества обслуживания (QoS); - Наличие возможности криптозащиты датаграмм на уровне протокола; - Повышенная безопасность передачи данных. Собственно, почти все преимущества IPv6 вытекают как раз из формата его пакета и формы адресации. Переделанный и усовершенствованный стандарт позволить реализовать на уровне протокола мощную криптозащиту (шифрование данных) и многие сервисы, такие как QoS (Quality of Service). QoS в IPv6 поддерживается полностью на сетевом уровне, это крайне важно для мультимедиа-трансляций. Изменения, внесённые в IPv6 показывают, что он не просто решит основную проблему нехватка адресного пространства, а перестроит всю структуру Internet так, что она станет более логичной и продуманной. 245 Также, в новом протоколе будет возможность автоконфигурирования IP адресов для конечных компьютеров в сети двумя способами: c помощью усовершенствованного DHCP или без него. В протоколе IPv6 пакеты не могут фрагментироваться и собираться маршрутизаторами. Отправитель обязан заранее выяснить максимальный размер пакетов (Maximum Transmission Unit, MTU), поддерживаемый на всём пути до получателя, и, при необходимости, выполнить фрагментацию своими силами. Снятие с маршрутизаторов забот о фрагментации также способствует повышению эффективности их работы, хотя и немного усложняет в определённой степени работу и функциональность оконечных систем. Также, создатели заверяют, что с приходом этого протокола будет повышена сетевая безопасность: хакерам будет невозможно проводить DoS атаки (или закидывания пингами) и сканировать сети. Переход на IPv6 неизбежен в любом случае. Но идёт он медленно по причине того, что польза от нововведений не столь очевидна на данный момент для большинства пользователей. В основном первыми переходят те страны или районы, где недостаток адресов ощущается наиболее остро. Контрольные вопросы 1. Что такое локальная вычислительная сеть? 2. Перечислите семь уровней взаимодействия открытых систем. 3. Какие топологии вычислительных сетей вы знаете? В чем суть каждой из них? 4. В чем заключается главный недостаток кольцевой топологии? 5. Какие виды кабелей используются при формировании сетей? 6. В чем суть метода передачи информации в сети Token Ring? 7. Как формируется сеть Ethernet? 8. Опишите принципы IPv4-адресации 9. Что такое Internet? 10. Опишите проблемы Internet-адресации и смысл IPv6-адресации 246 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Учебное пособие позволяет студентам-первокурсникам получить начальную базовую подготовку в области информационных систем и технологий. Последующие дисциплины технического направления углубляют изложенные в учебном пособии основы информатики и информационных технологий и дают возможность выполнения на практике основных видов деятельности специалиста с высшим образованием в данной области. Материал учебного пособия позволяет лучше познакомится с принципами организации и работы таких объектов профессиональной деятельности бакалавров, как вычислительные машины, комплексы, системы и сети; автоматизированные системы обработки информации и управления; системы автоматизированного проектирования и информационной поддержки жизненного цикла промышленных изделий; программное обеспечение средств вычислительной техники и автоматизированных систем. 247 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ Основная литература 1. Савельев А.Я. Основы информатики: Учеб. Для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001 2. Вирт Н. Алгоритмы и структура данных. - М.: Мир, 1989. 3. Першиков В.И., Савинов В.М. Толковый словарь по информатике. - М.: Финансы и статистика, 1991. 4. Власов В.К., Королев Л.Н., Сотников А.Н. Элементы информатики /Под ред Л.Н. Королева. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 5. Информатика. Энциклопедический словарь для начинающих. - М.: Педагогика-Пресс, 1994. 6.Острейковский В.А. Информатика: Учеб. Для вузов. – М.: Высш. шк., 2001. 7. Бородакий Ю.В., Лободинский Ю.Г. Информационные технологии. Методы, процессы, системы – М.: Радио и связь, 2002. 8. Алферова Т.В. Теория алгоритмов. - М: Статистика, 1973. 9. Дж. фон-Нейман. Теория самонастраивающихся автоматов. - М.: Мир, 1971. 10. Поспелов Д. А. Арифметические основы вычислительных машин дискретного действия. - М.:Энергия, 1970. 11. Савельев А. Я. Арифметические и логические основы цифровых автоматов. - М.: Высшая школа, 1980. 12. Темников Ф.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.И. Теоретические основы информационной техники. - М.: Высшая школа, 1979. Дополнительная литература 13. Вопросы прикладной информатики (сборник научных трудов) /Под ред. Р.М. Юсупова - С.-Пб: СПИИРАН, 1993. 14. Гудман С., Хидетниеми С. Введение в разработку и анализ алгоритмов. - М.: Мир, 1981. 15. Жоголев Е.А., Трифонов Н.П. Курс программирования. - М.: Наука, 1967. 16. Информатика. Терминологический словарь. - М.: Всероссийский НИИ комплексной информации по стандартизации и качеству, 1992. 17. Каныгин Ю.М., Калитич Г.И. Основы теоретической информатики. - Киев: Наукова думка, 1990. 18. Мепер Б., Бодуэн К. Методы программирования. - М.: Мир, 1982. 19. Романов Е.Л. Си/С++. От дилетанта до профессионала [электронный ресурс] – http://ermak.cs.nstu.ru/cprog/HTML/index.htm. 20. Горнец Н.Н., Рощин А.Г., Соломенцев В.В. Организация ЭВМ и систем: учебное пособие для студентов вузов – М.:Академия, 2006. 248 ПРИЛОЖЕНИЕ Логические схемы 1 - истина 0 - ложь Приоритеты при выполнении логических операций Конъюнкция Дизъюнкция Инверсия Пример: 0 и 1 или 1 И 0 0 0 И 0 1 0 И 1 1 1 И 1 0 0 ИЛИ 0 1 1 ИЛИ 0 0 0 ИЛИ 1 1 1 ИЛИ 1 0 1 НЕ 0 1 НЕ 1 0 или и 0 1 1 ? ? или и 0 1 1 1 0 НЕ И ИЛИ Введение в математическую логику Логическая константа (фиксированное значение) ИСТИНА или ЛОЖЬ Логическая переменная (символически обозначенная логическая величина, которая может принимать любые значения) ИСТИНА или ЛОЖЬ Логическая величина (понятие, выражаемое словами) ИСТИНА (true) ЛОЖЬ (false) Высказывание - это повествовательное предложение, в котором что-либо утверждается или отрицается. По поводу любого высказывания можно сказать, истинно оно или ложно. Логическое высказывание - это простое или сложное высказывание, представленное в символической форме. Сложное высказывание строится из простых с помощью логических операций (связок). 249 Примеры вычисления логических выражений F = не a и b или (c или d) не 1 2 4 3 a b c d 0 1 1 0 1 2 3 4 не 0 → 1 1 и 1 → 1 1 или 0 → 1 1 или 1 → 1 или и или a = 0 b = 1 c = 1 d = 0 1 1 1 1 F = не (a или b) и c или d не 2 1 3 4 a b c d 1 0 1 1 1 2 3 4 1 или 0 → 1 не 1 → 0 0 и 1 → 0 0 или 1 → 1 и или или a = 1 b = 0 c = 1 d = 1 1 0 0 1 Основные логические операции "И" (AND) Конъюнкция логическое умножение F = a ˄ b a и b → F a b F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 "ИЛИ" (OR) Дизъюнкция логическое сложение F = a ˅ b a или b → F a b F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 "НЕ" (NOT) Инверсия логическое отрицание F = a не a → F a b 0 0 250 Память ЭВМ Числа в памяти ЭВМ Форма с фиксированной точкой Целые числа Форма с фиксированной точкой Целые числа Целое число в памяти ЭВМ занимает машинное слово Старший разряд в представлении числа является знаковым: 0 - положительное число 1 - отрицательное число Отрицательные числа в памяти ЭВМ представлены в виде дополнительного кода, что дает возможность заменить операцию вычитания операцией сложения с отрицательным числом N - M = N + (-M) R = ± m × p n , где: m - мантисса p - основание системы счисления n - порядок 0,25324 × 10 2 = 0,025324 × 10 3 = 2,5324 × 10 4 Нормализованная форма 0,1 ≤ m < 1 Представление вещественного числа в памяти ЭВМ в виде пары целых чисел: матиссы (m) и порядка (n) Пример: m = 25324, n = 2 Один из вариантов представления вещественного числа в 4-байтовой ячейке памяти Порядок ± М а н т и с с а Единицы памяти: бит, байт (8 бит), машинное слово (1, 2, 4, ... байта) Память ЭВМ Внутренняя память Носители ОЗУ ПЗУ Внешняя память Магнитные Оптические ОЗУ - оперативное запоминающее устройство (энергозависимая память для чтения и записи информации) ПЗУ - постоянное запоминающее устройство (энергонезависимая память только для чтения информации) 251 Представление целых чисел Положительные числа 1) Перевести число N в двоичную систему счисления [N 2 ] 2) Полученный результат [N 2 ] дополнить слева незначащими нулями до размеров машинного слова 1607 10 11001000111 1 0000 0110 0100 0111 N 16 = 0647 16-разрядная ячейка памяти 0111 1111 1111 1111 2 → 7FFF 16 2 15 - 1 = 32767 10 (наибольшее число) Отрицательные числа 1) |-N| → N 2 → 00..N 2 (положительное число) 2) Обратный код (0 → 1, 1 → 0) 3) Обратный код +1 → результат 1) |-1607 10 | → 0000 0110 0100 0111 2) Обратный код 3) Прибавить единицу результат: N 16 = F9B9 1111 1001 1011 1000 1 1111 1001 1011 1001 (дополнительный код) Проверка N + (-N) = 0 0000 0110 0100 0111 1607 1111 1001 1011 1001 -1607 1 0000 0000 0000 0000 0 переполнение 1000 0000 0000 0000 = -2 15 = -32768 10 (наименьшее число) Диапазон значений: -2k -1 ≤ N ≤ 2k -1 - 1 k - разрядность машинного слова Внутренняя память ЭВМ 0 или 1 Двоичная кодировка Структура внутренней памяти Байты 0 1 2 3 Биты 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 Дискретность Наименьшим элементом памяти является бит В одном бите памяти может храниться один бит информации Адресуемость Байт памяти - наименьшая адресуемая часть внутренней памяти (1 байт = 8 бит) Все байты пронумерованы, начиная с 0 Номер байта - адрес байта памяти Процессор обращается к памяти по адресам 252 Таблица эквивалентности чисел в разных системах счисления А 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 А 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 А 2 000 001 010 011 100 101 110 111 А 8 0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 А 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 А 2 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 А 16 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F А 2 → А 8 11111100 011 111 100 3 7 4 374 011 111 100 3 7 4 А 2 → А 16 11111100 FC 1111 1100 F C F C 1111 1100 Развернутая форма записи числа А q a n-1 × q n-1 + ... + a 1 × q 1 + a 0 ×q 0 + a 1 × q -1 + ... + a -m × q -m где q - основание системы счисления (количество используемых цифр) A q - число в системе счисления с основанием q a - цифры многоразрядного числа A q n (m) - количество целых (дробных) разрядов числа A q Пример: 239,45 10 200 + 30 + 9 + 0,4 + 0,05 2 × 100 + 3 × 10 + 9 × 1 + 4 × 0,1 + 5 × 0,01 2 × 10 2 + 3 × 10 1 + 9 × 10 0 + 4 × 10 -1 + 5 × 10 -2 a 2 × 10 2 + ф 1 × 10 1 + a 0 × 10 0 + a -1 × 10 -1 + a -2 × 10 -2 a 2 a 1 a 0 a -1 a -2 253 Перевод чисел в десятичную систему счисления (метод: использование развернутой формы записи числа) a n-1 × q (n-1) + ... + a 1 × q 1 + a 0 × q 0 A 2 = 110110 n = 6 q = 2 (двоичное число) 1 × 2 5 + 1 × 2 4 + 0 × 2 3 + 1 × 2 2 + 1 × 2 1 + 0 × 2 0 = 54 A 8 = 237 n = 3 q = 8 (восьмеричное число) 2 × 8 2 + 3 × 8 1 + 7 × 8 0 = 2 × 64 + 3 × 8 = 128 + 24 + 7 = 159 A 2 = 3FA n = 3 q = 16 (шестнадцатеричное число) 3 × 16 2 + 15 × 16 1 + 10 × 16 0 = 3 × 256 + 15 × 16 + 10 = 1018 A q A 10 Перевод целых чисел из одной системы счисления в другую q = 8 q = 2 q = 16 3 7 4 3 7 4 0 1 1 1 1 1 1 0 0 3 7 4 q = 8(2 3 ) 11111100 q = 2 F C F C q = 16(2 4 ) 1 1 1 1 1 0 0 1 q ≠ 10 q = 10 Запись числа в развернутой форме и вычисление полученного выражения в десятичной системе 110110 2 → 54 10 537 8 → 159 10 3FA 16 → 1018 10 q = 10 q ≠ 10 1. Последовательное целочисленное деление десятичного числа на основание системы q 2. Выделение остатков от деления 3. Запись числа в системе счисления с основанием q 37 10 → 100101 2 245 10 → 368 8 |