Сети передачи данных - уч. пособие. Сети передачи данных
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
Глава 4. IP-сети (PR), биты D, T и R — выбор критерия для установления маршрута: D — мини- мизация задержки, T — максимизация пропускной способности, R — максимизация надежности доставки. Оставшиеся два бита — резерв. Поле «Общая длина» отра- жает общую длину пакета. В случае кадров Ethernet это не более 1524 байт. Поле «Идентификатор» задает индивидуальный номер пакета. Если исходный пакет раз- бивается на фрагменты, то используются поля «флаги» и «смещение фрагмента». Рис. 4.3 – Структура заголовка IP-пакета Важнейшие поля — это адреса отправителя и получателя, тип протокола верх- него уровня и время жизни. Поля адресов одинаковы, содержат 32 бита, в которых есть адрес сети и адрес узла. Эти адреса присутствуют в таблицах маршрутизации, по ним составляется путь следования пакета. Поле «Протокол верхнего уровня» сортирует IP-пакеты для передачи на транспортный уровень. Эта сортировка про- изводится по протоколам TCP, UDP, а также протоколу формирования таблиц OSPF и некоторым другим. Поле «Время жизни» определяет время существования па- кета в сети, поскольку оно не может быть бесконечным. Как правило, это время измеряется в «хопах» — числе пройденных маршрутизаторов. Когда время жизни будет исчерпано, пакет уничтожается. Практика показывает, что IP-заголовок избыточен, поэтому его обычно сжимают. Рассмотрим теперь основы функционирования IP-сетей (рис. 4.4). Здесь пред- ставлен фрагмент сети, содержащий три маршрутизатора M 1 –M 3 и семь сетей L 1 –L 7 , связанных между собой c помощью различных интерфейсов и протоколов физиче- ского и канального уровней: с пакетной организацией связи Ethernet, Fast Ethernet (FE), Gigabit Ethernet (GE), ATM, V35+PPP; на цифровых каналах: SDH, PDH (E1), ISDN BRI. 4.1 Общие положения 69 Рис. 4.4 – Фрагмент IP-сети Маршрутизаторы, следовательно, должны иметь различные порты подключе- ния и уметь работать с соответствующими протоколами второго уровня. Передача пакетов между сетями производится с помощью маршрутизаторов, которые своими портами подключены к сетям. Например порт 1 маршрутизато- ра M 1 подключен к сети L 1 и имеет сетевой адрес M 1 1 , принадлежащий этой сети. Сам маршрутизатор никаких адресов (IP, MAC) не имеет. Обычно в сложных IP-сетях можно выбрать несколько маршрутов от одной локальной сети к другой. Выбор маршрута и передача пакетов осуществляются с помощью таблиц маршру- тизации, которые находятся в процессоре маршрутизатора. Пример таблицы марш- рутизатора M 1 для сети представлен в таблице 4.1. Таблица 4.1 – Пример таблицы маршрутизации M 1 № сети Сетевой адрес Сетевой адрес Расстояние Время порта следующего выходного порта жизни, Т маршрутизатора L 1 Подключена M 1 1 1 X L 2 Подключена M 1 2 1 X L 3 M 2 1 M 1 3 2 X L 4 M 2 1 M 1 3 2 X L 5 M 3 1 M 1 4 2 X L 6 Подключена M 1 4 1 X L 7 M 3 1 M 1 4 2 X Default M 3 1 M 1 4 — X В этой таблице приведены только основные столбцы. На практике их больше. Первый столбец содержит IP-адрес сети назначения, т. е. сети, которой адресован пакет. Эти адреса условно обозначены L 1 –L 7 , хотя на самом деле это 32-битовые численные адреса, которые будут рассмотрены ниже. Во второй столбец заносится сетевой адрес порта маршрутизатора, на который следует отправить пакет для дан- ной сети назначения, а в третьем столбце — адрес выходного порта M 1 . Кроме того, 70 Глава 4. IP-сети в четвертом столбце приведено расстояние между M 1 и сетью назначения в хопах (пройденных маршрутизаторах). Это нужно для сравнения альтернативных марш- рутов и выборе кратчайшего. В столбец «Время жизни» заносится из проходящего пакета число пройденных им хопов, и оно уменьшается на единицу. Рассмотрим работу маршрутизатора. Аппаратное и программное обеспечение маршрутизаторов в зависимости от на- значения и конфигурации может содержать набор физических интерфейсов (Ether- net, E1, SDH и др.), как это показано на рисунке 4.4. Канальный уровень так- же может быть представлен разными протоколами: MAC+LLC для Ethernet, PPP, LAP — F, LAP — D и др. Сочетание интерфейсов и протоколов можно регулировать сменными платами в оборудовании. Пакеты (кадры), поступающие на порты маршрутизатора, после обработки с помощью протоколов первого и второго уровней освобождаются от заголов- ков канального уровня, при этом МАС-адрес преобразуется в IP-адрес с помо- щью протокола ARP (Adress Resolution Protocol). Полученные данные в случае неповрежденного пакета передаются модулю сетевого уровня, который анализи- рует IP-заголовок. Сначала проверяется контрольная сумма, затем время жизни. В случае положительных результатов из заголовка берется номер сети назначения, и он последовательно сравнивается с номерами сетей в таблице. Если в табли- це найден нужный номер, то пакет направляется на соответствующий порт. Если же номера сети в таблице нет, пакет направляется на порт, соответствующий за- писи «default» — по умолчанию. Через этот порт наш маршрутизатор соединяется с глобальной IP-сетью. Это сделано для того, чтобы сократить объем таблицы маршрутизации, в которую заносятся адреса ближайших соседей. В IP-сетях в от- личие от сетей на коммутаторах Ethernet существует несколько различных путей между узлами. Поэтому в таблицах маршрутизации для одной и той же сети назна- чения может быть несколько записей. Маршрутизатор при составлении маршрута выбирает оптимальный путь. Алгоритм процесса маршрутизации приведен на ри- сунке 4.5. В заключение этого раздела следует сказать, что все аспекты деятельности IP- сетей описаны в документах RFC — Request for Comments. Эти документы можно найти на сайте http://www.ietf.org/rfc.html. Всего этих документов порядка трех с лишним тысяч. Их перечень дан в RFC 1543. Главными документами являются RFC 1112, 1123, 1812. Более подробную информацию об RFC можно найти в [10]. 4.2 Адресация в IP-сетях 71 Рис. 4.5 – Алгоритм процесса маршрутизации 4.2 Адресация в IP-сетях Для IP-адреса первоначально выбрали размер в 32 бита для удобства его обра- ботки в 32-разрядном регистре компьютера. Как уже говорилось, для обеспечения свойства иерархичности ад- рес содержит две части: номер сети и номер узла (станции), ри- сунок 4.6. Число бит, отводимых для этих номеров, может быть переменным. Рис. 4.6 – Структура IP-адреса 72 Глава 4. IP-сети Пример IP-адреса — 192. 7. 65. 112. Здесь адрес приведен в десятичной си- стеме исчисления. В двоичной системе этот же адрес будет: 11000000. 00000111. 01000001. 01110010. Для удобства идентификации байты адреса разделены точками. Для того чтобы можно было присваивать адреса и малым, и большим сетям, ввели несколько классов адресов: A, B, C (рис. 4.7). Рис. 4.7 – Адреса классов A, B, C 1. Адреса класса A предназначены для организации очень больших сетей. Они обязательно начинаются с 0. Всего таких сетей 128. В каждой из них может быть 16 777 216 (2 24 ) адресов станций (узлов), и их объем составляет 50% от общего количества всех IP-адресов. 2. Адреса класса B тоже дают возможность организовать достаточно большие сети в диапазоне номеров 128–191. Здесь под номер сети отводится уже два байта. Число сетей здесь — 2 14 16 384, а максимальное число узлов в сети — 2 16 65 536. Объем адресов класса B составляет 25%. 3. Адреса класса C содержат три байта для номера сети и один байт для номе- ра узла. Следовательно, в одной сети класса C может быть не более 2 8 256 адресов, а таких сетей довольно много — 2 21 2 097 152. Сети класса C — это небольшие сети. На самом деле максимальное число узлов сети меньше на два, т. е. 254 256 2. Это объясняется тем, что адреса, содержащие все единицы и все нули, являются специальными. Адрес 00000000 по умол- чанию применяется, когда узел получателя находится в той же сети, что и адрес отправителя. Адрес 11111111 предназначен для широковещатель- ной рассылки всем узлам данной сети (broadcast). Пример такого адреса 194. 67. 17. 255. Эти правила касаются и адресов типа A и B. Кроме классов A, B, C, существуют специальные классы D и E. Адреса клас- са D (224 –239) используются для многоадресных рассылок в IP-сетях, когда одно сообщение распространяется среди группы разбросанных по сети станций. Адреса 4.3 Подсети и маски 73 класса E (240 –255) составляют резерв, который может использоваться в экспери- ментальных целях. Приведенное распределение IP-адресов является неэффективным при массо- вом распространении IP-услуг, так как системы распределения адресов оказались негибкими: 1. Сети класса A чрезмерно большие, и организации, их получившие, не в со- стоянии их распределить полностью. В то же время эти сети занимают половину адресного пространства. 2. Сети класса C лучше всего подходят для небольших организаций, но при этом резко возрастает количество самих сетей, что ведет к переполнению таблиц маршрутизаторов. 3. Сети класса B лучше всего подходят для построения больших сетей и даль- нейшего распределения адресов. Но ресурс их адресного пространства быстро исчерпывается вследствие его ограниченности (25%) и бескон- трольного распределения на начальном этапе развития Интернета. Дело в том, что блоки по 65 тысяч адресов брали организации, которым требова- лось гораздо меньшее их количество. Остальные адреса не использовались. 4.3 Подсети и маски Для устранения названных недостатков были введены понятия подсетей и масок. Суть нововведения заключается в том, что граница между номером сети и номером узла делается плавающей (рис. 4.8). При этом может быть введен дополнительный номер подсети, который создает еще одно звено в иерархической адресной структуре — подсеть. Это позволяет раз- бить большие блоки адресов (прежде всего для классов A и B) на группы — подсети, размер которых уже может быть любым. Организация номера подсети осуществ- ляется за счет адресного поля узла, т. е. из номера узла отводятся несколько бит для создания номера подсети. Так, для сетей класса A (рис. 4.8, б) число бит номе- ра сети остается неизменным — 8, а число бит номера подсети может быть до 22. Минимальное число бит для номера узла — 2. Аналогично распределяются биты для сетей класса B (рис. 4.8, в) и класса C (рис. 4.8, г). Рассмотрим, как нумеруются сети и подсети. В качестве примера возьмем сеть класса B. Здесь под номер сети отводится 16 старших бит 129.42.ххх.ххх. Индек- сами «х» обозначены позиции для подсети и узла. Чтобы номер сети отличить от номера подсети и узла, в адресных частях подсети и узла ставят нули — 129.42.0.0. Это сочетание цифр обозначает сеть класса В. Следует заметить, что 129.42.0.0 не является адресом сети, т. к. адрес имеют порты маршрутизатора, а сеть адреса иметь не может. Аналогично обозначаются подсети. Так, для сети 129.42.0.0 подсети с числом станций до 254 будут идентифицированы как 129.42.2.0, 129.42.3.0 и т. д. Нетрудно 74 Глава 4. IP-сети увидеть, что в этом примере сеть класса B расщепляется на несколько подсетей, каждая из которых эквивалентна сети класса C. Рис. 4.8 – Введение подсетей Несколько сложнее осуществляется нумерация подсетей, число станций в ко- торых не совпадает с классом C. Для задания границы между подсетью и узлом вводится понятие маски. Маска — это число, двоичная запись которого содержит единицы в разрядах, соответствующих номерам сети и подсети. Все еди- ницы должны идти подряд, без пропусков. Маска используется совместно с IP-адресом. Маску можно применить и для задания сетей. Так, для сетей класса B мас- ка будет 11111111.11111111.0.0 или 255.255.0.0. Если нам нужно для сети клас- са B организовать, например, 5 одинаковых подсетей, то мы должны создать маску 11111111.11111111.11100000.00000000 (или 255.255.224.0). Три единицы в третьем байте дают возможность организации 8 подсетей (2 3 8). На самом деле это число должно быть сокращено до 6. Дело в том, что адреса станций, у которых в адресном поле одни нули или одни единицы, не используются (запрещенные комбинации). Комбинации с непрерывной последовательностью нулей используются для идентификации сетей и подсетей. В рассмотренных ранее примерах будут исполь- зоваться следующие записи номеров сетей и подсетей: 129.42.0.0. 01111011.00101010.00000000.00000000 129.42.3.0. 01111011.00101010.00000011.00000000 4.3 Подсети и маски 75 Комбинации с непрерывной последовательностью единиц в адресном поле станции (т. е. после окончания маски) используются для широковещательной рас- сылки всем станциям подсети. Так, запись 123.42.255.255 означает, что пакеты рассылаются сразу всем станциям большой сети 123.42.0.0, а запись 123.42.3.255 говорит о широковещательной рассылке всем станциям подсети 123.42.3.0. Полная информация о подсетях в сети класса B дана в таблице 4.2. Таблица 4.2 – Подсети в сети класса B Биты Количество Биты Количество Маска подсети подсетей для хостов хостов подсети 0 0 16 65 534 255.255.0.0 1 — 15 — Недопустимая комбинация 2 2 14 16 382 255.255.192.0 3 6 13 8190 255.255.224.0 4 14 12 4094 255.255.240.0 5 30 11 2046 255.255.248.0 6 62 10 1022 255.255.252.0 7 126 9 510 255.255.254.0 8 254 8 254 255.255.255.0 9 510 7 126 255.255.255.128 10 1022 6 62 255.255.255.192 11 2046 5 30 255.255.255.224 12 4096 4 14 255.255.255.240 13 8190 3 6 255.255.255.248 14 16 382 2 2 255.255.255.252 — 1 — Недопустимая комбинация На следующем этапе рассмотрим случай, когда с помощью маски 255.255.224 для сети класса B 129.42.0.0 требуется организовать пять подсетей одинаковой длины. Процедура и результат распределения номеров приведены в таблице 4.3. Таблица 4.3 – Распределение номеров подсетей № сети №№ подсети десятичный двоичный двоичный десятичный Маска 255.255 11111111.11111111 111|00000 224 129.42.0.0 01111011.00101010 000|00000 129.42.0.0 (запрещен) ÚØ ÚØ 001|00000 129.42.32.0 ÚØ ÚØ 010|00000 129.42.64.0 ÚØ ÚØ 011|00000 129.42.96.0 ÚØ ÚØ 100|00000 129.42.128.0 ÚØ ÚØ 101|00000 129.42.160.0 ÚØ ÚØ 110|00000 129.42.192.0 ÚØ ÚØ 111|00000 129.42.224.0 (запрещен) 76 Глава 4. IP-сети Исходя из таблицы, число реальных подсетей будет 6, а их десятичные номера следуют не подряд, а через 32 единицы, поскольку под маской в третьем байте меняются биты в старших разрядах. Ранее были рассмотрены подсети с масками постоянной или одинаковой дли- ны. Однако их применение не является рациональным. Так, например, провайдеру Интернета нужно распределить IP-адреса сети класса B для разных пользователей, причем одному надо 6000 адресов, двум по 2 тысячи, а двум по 500 адресов. Разда- вать всем адреса с помощью одинаковых масок 255.255.242.0 невыгодно. Поэтому надо для каждого класса пользователей применить свою маску. Так, для 6000 ад- ресов потребуется 13 бит (2 13 8192 A 6000 A 2 12 4096). Следовательно, маска будет 11111111.11111111.11100000.00000000 или 255.255.224.0. Как видно, с такой маской адреса будут выданы с избытком (8190 6000 2190), который может быть использован для развития сети. Для второго типа подсетей (2000 станций) найдем маску 255.255.248.0, а для третьего (500 станций) — 255.255.254.0. Понятие маски вообще позволяет отказаться и от классовых адресов, и от понятия подсетей. Теперь достаточно передавать в заголовке IP-адрес и маску. Поскольку передавать значения всех 32 бит маски нерациональ- но, передают префикс — число, показывающее количество единиц в маске. Например, для маски 11111111. 11111111. 11111110. 00000000 255. 255. 254. 0 префикс будет равен 23. В IP-адресе это выглядит так: 190.12.16.0/23 При использовании масок переменной длины возникает неопределенность в вы- боре маршрута, если подсети одной сети имеют разную длину. Суть этой неопре- деленности рассмотрим на примере (рис. 4.9). Рис. 4.9 – Распределение трафика в сети с масками переменной длины 4.3 Подсети и маски 77 Здесь сеть класса C 190.12.16.0 разделена на три подсети A, B, C. Самая малень- кая из них — подсеть C. Она содержит всего 7 адресов 190.12.16.1–190.12.16.7. Под- сеть B в соответствии со своей маской должна содержать 31 адрес (от 190.12.16.1 до 190.12.16.31). Но часть этих адресов уже занята в подсети C. Поэтому реаль- но подсеть B содержит 24 адреса: 190.12.16.8–190.12.16.31. По этим же причинам подсеть A занимает не 255 адресов, а 223 (190.12.16.32–190.12.16.255). Приведем сейчас таблицу маршрутизации для M 2 (табл. 4.4) и рассмотрим особенности распределения адресов и сам процесс маршрутизации. Таблица 4.4 – Таблица маршрутизации M 2 Номер сети Маска Адрес следующего Адрес порта Расстояние маршрутизатора 190.12.16.0 255.255.255.0 192.12.16.32 192.12.16.32 Подключено (порт 1) 190.12.16.0 255.255.255.224 192.12.16.8 192.12.16.8 Подключено (порт 2) 190.12.16.0 255.255.255.248 192.12.16.1 192.12.16.1 Подключено (порт 3) 190.12.17.0 255.255.255.248 192.12.17.3 192.12.17.3 Подключено (порт 4 M 2 ) 0.0.0.0 0.0.0.0 192.12.17.4 192.12.17.3 — (порт 1 M 1 ) (порт 4 M 2 ) В этой таблице три подсети (A, B, C) подключены к соответствующим портам маршрутизатора M 2 . Каждый порт имеет IP-адрес из своей подсети, например порт 1 M 2 — 192.10.16.32. Для связи с внешним маршрутизатором M 1 необходимо организовать еще одну подсеть D и выделить для двух портов: 4 (M 2 ) и 1 (M 1 ) свои адреса. Пусть эта подсеть будет иметь номер 190.12.17.0. Так как сеть маленькая, для нее будет достаточно 8 адресов и маски 255.255.255.248. Если на маршрутизатор M 2 поступает пакет с адресом 190.12.16.1–2, то марш- рутизатор сравнивает его адресную часть со своей таблицей. Однако в таблице три почти одинаковые записи: 190.12.16.0/24; 190.12.16.0/27; 190.12.16.0/29. В этом и заключается неопределенность. Чтобы ее разрешить, применяют пра- вило максимальной длины: когда маршрутизатор обнаруживает сетевой адрес, ко- торому соответствуют префиксы различной длины, он всегда выбирает маршрут с наибольшей маской. Поэтому пакет 2 будет направлен в подсеть C. Пакет 1 не будет принят этой подсетью, и его направят в подсеть A. В таблице есть еще пятая строка с номером сети 0.0.0.0. Если на маршрутиза- тор M 2 поступают пакеты с IP-адресами, не принадлежащими подсетям A, B, C, D, то по умолчанию они будут направляться на внешний маршрутизатор M 1 и далее в глобальную сеть. |