Что обеспечивает ip протокол маршрутизации пакетов

Что обеспечивает ip протокол маршрутизации пакетов

2.1. Классовая модель 2.2. Бесклассовая модель(CIDR) 2.3. Запись адресов в бесклассовой модели

1. Функции протокола IP

Протокол IP находится на межсетевом уровне стека протоколов TCP/IP. Функции протокола IP определены в стандарте RFC-791 следующим образом: “Протокол IP обеспечивает передачу блоков данных, называемых дейтаграммами, от отправителя к получателям, где отправители и получатели являются компьютерами, идентифицируемыми адресами фиксированной длины (IP-адресами). Протокол IP обеспечивает при необходимости также фрагментацию и сборку дейтаграмм для передачи данных через сети с малым размером пакетов”.

Гарантию правильной передачи данных предоставляют протоколы вышестоящего уровня (например, протокол TCP), которые имеют для этого необходимые механизмы.

Общий сценарий работы модуля IP на каком-либо узле сети, принимающего дейтаграмму из сети, таков:

При получении данных от вышестоящего уровня для отправки их по сети IP-модуль формирует дейтаграмму с этими данными, в заголовок которой заносятся адреса отправителя и получателя (также полученные от транспортного уровня) и другая информация; после чего выполняются следующие шаги:

Здесь и далее узлом сети называется компьютер, подключенный к сети и поддерживающий протокол IP. Узел сети может иметь один и более IP-интерфейсов, подключенных к одной или разным сетям, каждый такой интерфейс идентифицируется уникальным IP-адресом.

IP-сетью называется множество компьютеров (IP-интерфейсов), часто, но не всегда подсоединенных к одному физическому каналу связи, способных пересылать IP-дейтаграммы друг другу непосредственно (то есть без ретрансляции через промежуточные компьютеры), при этом IP-адреса интерфейсов одной IP-сети имеют общую часть, которая называется адресом, или номером, IP-сети, и специфическую для каждого интерфейса часть, называемую адресом, или номером, данного интерфейса в данной IP-сети.

Маршрутизатором, или шлюзом, называется узел сети с несколькими IP-интерфейсами, подключенными к разным IP-сетям, осуществляющий на основе решения задачи маршрутизации перенаправление дейтаграмм из одной сети в другую для доставки от отправителя к получателю.

Хостами называются узлы IP-сети, не являющиеся маршрутизаторами. Обычно хост имеет один IP-интерфейс (например, связанный с сетевой картой Ethernet или с модемом), хотя может иметь и несколько.

Маршрутизаторы представляют собой либо специализированные вычислительные машины, либо компьютеры с несколькими IP-интерфейсами, работа которых управляется специальным программным обеспечением. Компьютеры конечных пользователей, различные серверы Интернет и т.п. вне зависимости от своей вычислительной мощности являются хостами.

Неотъемлемой частью IP-модуля является протокол ICMP (Internet Control Message Protocol), отправляющий диагностические сообщения при невозможности доставки дейтаграммы и в других случаях. Совместно с протоколом IP работает также протокол ARP (Address Resolution Protocol), выполняющий преобразования IP-адресов в MAC-адреса (например, адреса Ethernet).

2. IP-адреса

IP-адрес является уникальным 32-битным идентификатором IP-интерфейса в Интернет. Часто говорят, что IP-адрес присваивается узлу сети (например, хосту); это верно в случае, если узел является хостом с одним IP-интерфейсом, иначе следует уточнить, об адресе какого именно интерфейса данного узла идет речь. Далее для краткости там, где это не вызовет неверного толкования, вместо адреса IP-интерфейса узла сети говорится об IP-адресе хоста.

IP-адреса принято записывать разбивкой всего адреса по октетам, каждый октет записывается в виде десятичного числа, числа разделяются точками. Например, адрес

IP-адрес хоста состоит из номера IP-сети, который занимает старшую область адреса, и номера хоста в этой сети, который занимает младшую часть. Положение границы сетевой и хостовой частей (обычно оно характеризуется количеством бит, отведенных на номер сети) может быть различным, определяя различные типы IP-адресов, которые рассматриваются ниже.

2.1. Классовая модель

В классовой модели IP-адрес может принадлежать к одному из четырех классов сетей. Каждый класс характеризуется определенным размером сетевой части адреса, кратным восьми; таким образом, граница между сетевой и хостовой частями IP-адреса в классовой модели всегда проходит по границе октета. Принадлежность к тому или иному классу определяется по старшим битам адреса.

Класс А. Старший бит адреса равен нулю. Размер сетевой части равен 8 битам. Таким образом, может существовать всего примерно 2 7 сетей класса А, но каждая сеть обладает адресным пространством на 2 24 хостов. Так как старший бит адреса нулевой, то все IP-адреса этого класса имеют значение старшего октета в диапазоне 0 — 127, который является также и номером сети.

Класс В. Два старших бита адреса равны 10. Размер сетевой части равен 16 битам. Таким образом, может существовать всего примерно 2 14 сетей класса В, каждая сеть обладает адресным пространством на 2 16 хостов. Значения старшего октета IP-адреса лежат в диапазоне 128 — 191, при этом номером сети являются два старших октета.

В классе А выделены две особые сети, их номера 0 и 127. Сеть 0 используется при маршрутизации как указание на маршрут по умолчанию и в других особых случаях.

Другой пример: в сети 135.198.0.0 (класс В, номер хоста занимает два октета) широковещательный адрес 135.198.255.255, диапазон номеров хостов: 0.1 — 255.254 (135.198.0.1 — 135.198.255.254).

2.2. Бесклассовая модель (CIDR)

Предположим, в локальной сети, подключаемой к Интернет, находится 2000 компьютеров. Каждому из них требуется выдать IP-адрес. Для получения необходимого адресного пространства нужны либо 8 сетей класса C, либо одна сеть класса В. Сеть класса В вмещает 65534 адреса, что много больше требуемого количества. При общем дефиците IP-адресов такое использование сетей класса В расточительно. Однако если мы будем использовать 8 сетей класса С, возникнет следующая проблема: каждая такая IP-сеть должна быть представлена отдельной строкой в таблицах маршрутов на маршрутизаторах, потому что с точки зрения маршрутизаторов — это 8 абсолютно никак не связанных между собой сетей, маршрутизация дейтаграмм в которые осуществляется независимо, хотя фактически эти IP-сети и расположены в одной физической локальной сети и маршруты к ним идентичны. Таким образом, экономя адресное пространство, мы многократно увеличиваем служебный трафик в сети и затраты по поддержанию и обработке маршрутных таблиц.

С другой стороны, нет никаких формальных причин проводить границу сеть-хост в IP-адресе именно по границе октета. Это было сделано исключительно для удобства представления IP-адресов и разбиения их на классы. Если выбрать длину сетевой части в 21 бит, а на номер хоста отвести, соответственно, 11 бит, мы получим сеть, адресное пространство которой содержит 2046 IP-адресов, что максимально точно соответствует поставленному требованию. Это будет одна сеть, определяемая своим уникальным 21-битным номером, следовательно, для ее обслуживания потребуется только одна запись в таблице маршрутов.

Единственная проблема, которую осталось решить: как определить, что на сетевую часть отведен 21 бит? В случае классовой модели старшие биты IP-адреса определяли принадлежность этого адреса к тому или иному классу и, следовательно, количество бит, отведенных на номер сети.

В случае адресации вне классов, с произвольным положением границы сеть-хост внутри IP-адреса, к IP-адресу прилагается 32-битовая маска, которую называют маской сети (netmask) или маской подсети (subnet mask). Сетевая маска конструируется по следующему правилу:

2.3. Запись адресов в бесклассовой модели

Для удобства записи IP-адрес в модели CIDR часто представляется в виде a.b.c.d / n, где a.b.c.d — IP адрес, n — количество бит в сетевой части.

Маска сети для этого адреса: 17 единиц (сетевая часть), за ними 15 нулей (хостовая часть), что в октетном представлении равно

Представив IP-адрес в двоичном виде и побитно умножив его на маску сети, мы получим номер сети (все нули в хостовой части). Номер хоста в этой сети мы можем получить, побитно умножив IP-адрес на инвертированную маску сети.

Пример: IP = 205.37.193.134/26 или, что то же,

IP = 205.37.193.134 netmask = 255.255.255.192.

Распишем в двоичном виде:

или, в октетном представлении, 205.37.193.128/26, или, что то же, 205.37.193.128 netmask 255.255.255.192.

Хостовая часть рассматриваемого IP адреса равна 000110, или 6. Таким образом, 205.37.193.134/26 адресует хост номер 6 в сети 205.37.193.128/26. В классовой модели адрес 205.37.193.134 определял бы хост 134 в сети класса С 205.37.193.0, однако указание маски сети (или количества бит в сетевой части) однозначно определяет принадлежность адреса к бесклассовой модели.

Упражнение. Покажите, что адрес 132.90.132.5 netmask 255.255.240.0 определяет хост 4.5 в сети 132.90.128.0/20 (в классовой модели это был бы хост 132.5 в сети класса В 132.90.0.0). Найдите адрес broadcast для этой сети.

Очевидно, что сети классов А, В, С в бесклассовой модели представляются при помощи масок, соответственно, 255.0.0.0 (или /8), 255.255.0.0 (или /16) и 255.255.255.0 (или /24).

3. Маршрутизация

Процесс маршрутизации дейтаграмм состоит в определении следующего узла (next hop) в пути следования дейтаграммы и пересылки дейтаграммы этому узлу, который является либо узлом назначения, либо промежуточным маршрутизатором, задача которого — определить следующий узел и переслать ему дейтаграмму. Ни узел-отправитель, ни любой промежуточный маршрутизатор не имеют информации о всей цепочке, по которой пересылается дейтаграмма; каждый маршрутизатор, а также узел-отправитель, основываясь на адресе назначения дейтаграммы, находит только следующий узел ее маршрута.

Маршрутизация дейтаграмм осуществляется на уровне протокола IP.

Маршрутизация выполняется на основе данных, содержащихся в таблице маршрутов. Строка в таблице маршрутов состоит из следующих полей:

Таблица может составляться вручную или с помощью специализированных протоколов. Каждый узел сети, в том числе и хост, имеет таблицу маршрутов, хотя бы самую простую.

Источник

Что обеспечивает ip протокол маршрутизации пакетов

Функции, реализуемые IP:

Протокол IP не гарантирует надежной доставки пакета: пакеты могут прийти в неправильном порядке, пакет может быть утерян, пакет может продублироваться или оказаться поврежденным. За надежность доставки пакетов отвечают протоколы транспортного уровня.

На данный момент наиболее распространена четвертая версия протокола (IPv4), однако ведутся активные работы по внедрению более совершенного IPv6.

Содержание

IPv4 [ править ]

IPv4 (англ. Internet Protocol version 4) — четвёртая версия интернет протокола (IP). Описан в IETF в статье RFC 791 (сентябрь 1981 года). Это один из самых используемых интернет протоколов. Был введен в использование в ARPANET в 1983 году.

Функция протокола — передавать дейтаграммы по множеству соединенных сетей.

Структура пакета [ править ]

Рассмотрим формат IPv4-дейтаграмм.

Дейтаграмма состоит из заголовка и основной части (данных). Биты передаются слева направо и сверху вниз (big-endian порядок). В настоящее время ясно, что лучше было бы использовать обратный (little-endian) порядок, но во время создания протокола это не было очевидно. Так на Intel x86 требуется программное преобразование, как при передаче, так и при приеме.

Рассмотрим структуру заголовка:

Пример [ править ]

IPv4 и его расположение внутри кадра.

IPv6 [ править ]

IPv6 (англ. Internet Protocol version 6) — новая версия интернет протокола (IP), являющаяся результатом развития IPv4. Протокол был создан IETF в 1996 году. Описан в спецификации RFC 2460.

Основной причиной для создания новой версии протокола послужил факт скорого исчерпания пула IPv4 адресов (по разным оценкам последние выделенные IANA адреса будут заняты в период с 2016 по 2020 года).

Основные отличия IPv6 от IPv4:

Структура пакета [ править ]

IP-адрес [ править ]

IPv4-адрес [ править ]

IPv4 использует 32-битные адреса, ограничивающие адресное пространство 4 294 967 296 (2 32 ) возможными уникальными адресами. У каждого хоста и маршрутизатора в Интеренете есть IP-адрес. IP-адрес не имеет отношения к хосту. Он имеет отношение к сетевому интерфейсу, поэтому иногда хост или маршрутизатор могут иметь несколько IP-адресов.

IP-адреса имеют иерархическую организацию. Первая часть имеет переменную длину и задает сеть, а последняя указывает на хост.

Обычно IP-адреса записываются в виде 4 десятичных чисел, каждое в диапозоне от 0 до 255, разделенными точками (dot-decimal notation). Каждая часть представляет один байт адреса. Например, шестнадцатиричный адрес 80D00297 записывается как 128.208.2.151.

Префикс задается наименьшим IP-адресом в блоке и размером блока. Размер определяется числом битов в сетевой части, оставшиеся биты в части хоста могут варьироваться. Таким образом, размер является степенью двойки. Он записывается после префикса IP-адреса в виде слэша и длины сетевой части в битах. В предыдущем примере префикс содержит 2 8 адресов и поэтому для сетевой части отводится 24 бита. Записывается так: 128.208.2.0/24.

Сетевые адреса, адреса интерфейсов и широковещательные адреса [ править ]

IP адрес может означать одно из трех:

IPv6-адрес [ править ]

Адрес в IPv6 представляется как восемь групп из четырех шестнадцатеричных чисел, разделенных двоеточиями. При записи адреса используются следующие правила:

Типы IPv6 адресов [ править ]

Фрагментация [ править ]

Большинство каналов передачи данных устанавливают максимальную длину пакета (MTU). В случае, когда длина пакета превышает это значение, происходит фрагментация.

Маршрутизация [ править ]

Протокол IP требует, чтобы в маршрутизации участвовали все узлы (компьютеры). Длина маршрута, по которому будет передан пакет, может меняться в зависимости от того, какие узлы будут участвовать в доставке пакета. Каждый узел принимает решение о том, куда ему отправлять пакет на основании таблицы маршрутизации (routing tables).

Маска подсети [ править ]

Длина префикса не выводится из IP-адреса, поэтому протоколу маршрутизации вынуждены передавать префиксы на маршрутизаторы. Иногда префиксы задаются с помощью указания длины.

То есть маска подсети определяет как будут локально интерпретироваться IP адреса в сегменте IP сети, что для нас весьма важно, поскольку определяет процесс разбивки на подсети.

О маске подсети нужно помнить три вещи:

Бесклассовая междоменная маршрутизация [ править ]

Изначально использовалась классовая адресация (INET), но со второй половины 90-х годов XX века она была вытеснена бесклассовой адресацией (CIDR), при которой количество адресов в сети определяется маской подсети.

Таблицы маршрутизации со временем сильно растут, и с этим нужно что-то делать. Маршрутизатор может узнавать о расположении IP-адресов по префиксам различной длины. Но вместо того чтобы разделять сеть на подсети, мы объединим несколько коротких префиксов в один длинный. Этот процесс называется агрегацией маршрута (route aggregation). Длинный префикс, полученный в результате, иногда называют суперсетью (supernet), в противоположность подсетям с разделением блоков адресов.

При агрегации IP-адреса содержатся в префиксах различной длины. Один и тот же IP-адрес может рассматриваться одним маршрутизатором как часть блока /22 (содержащего 2 10 адресов), а другим — как часть более крупного блока /20 (содержащего 2 12 адресов). Это зависит от того, какой информацией обладает маршрутизатор. Такой метод называется CIDR (Classless InterDomain Routing — бесклассовая междоменная маршрутизация).

Также префиксы могут пересекаться. Согласно правилу, пакеты передаются в направлении самого специализированного блока, или самого длинного совпадающего префикса (longest matching prefix), в котором находится меньше всего IP-адресов.

По сути CIDR работает так:

Классы IP-сетей [ править ]

Раньше использовали классовую адресацию.

Сколько бит используется сетевым ID и сколько бит доступно для идентификации хостов (интерфейсов) в этой сети, определяется сетевыми классами.

Их структура и диапазоны указаны на рисунке.

Стандартные маски подсети для трех классов сетей:

Источник

Протокол IP — протокол интернет. Формат заголовка IP-пакета.

IP расшифровывается как Internet Protocol, часто его называют протокол интернет. Но строго говоря это не совсем так, правильный перевод межсетевой протокол или протокол межсетевого взаимодействия.

Протокол Ip возник задолго до того, как появилась и стала набирать популярность сеть, которую мы называем интернет. В англоязычной терминологии internetworking означает объединение сетей, и цель протокола ip как раз объединить сети, построенные с помощью разных технологий канального уровня. У этой терминологии словом internet называлась объединенная сеть, а subnet — подсеть или отдельная сеть. Словом Internet с большой буквы сейчас называется самая крупная объединенная сеть построенная по протоколу ip.

Место в моделях OSI и TCP/IP

В модели взаимодействия открытых систем и в модели TCP/IP протокол IP, находится на одном и том же уровне — сетевом.

Сетевой уровень стека протоколов TCP/IP включая также и другие протоколы кроме ip. Это ARP, DHCP и ICMP, но для передачи данных используется только протокол ip, остальные протоколы служат для обеспечения корректной работы крупной составной сети.

Сервисы IP

IP также, как и Ethernet обеспечивают передачи данных без гарантии доставки, не гарантируется как доставка, так и порядок следования сообщений. Протокол Ip так же как и Ethernet использует передачу данных без установки соединения.

IP пакет просто отправляется в сеть в надежде, что он дойдет до получателя, если пакет по каким-то причинам не дошел, не предпринимается никаких попыток оповестить отправителя, и также не предпринимается попыток запросить этот пакет снова. Считается, что ошибка должна быть исправлена протоколами, которые находятся на вышестоящих уровнях.

Задачей IP является объединение сети, построенных на основе разных технологий канального уровня, которые могут значительно отличаться друг от друга в одну крупную объединенную сеть, в которой компьютеры могут свободно общаться друг с другом не взирая на различия конкретной сетевой технологии. Вторая важная задача протокола IP, это маршрутизация, то есть поиск маршрута от отправителя к получателю в крупной составной сети через промежуточные узлы маршрутизаторы. Также IP обеспечивает необходимое качество обслуживания.

Формат заголовка IP-пакета

Для того чтобы понять, как протокол IP реализует эту задачу, рассмотрим формат заголовка IP пакета.

Номер версии

Первое поле номер версии. Сейчас используется две версии протокола IP 4 и 6. Большая часть компьютеров использует IPv4. Длина адреса в этой версии 4 байта. Формат адреса IP версии 4 мы рассматривали подробно. Проблема в том, что адресов IPv4, четыре с небольшим миллиарда, что уже сейчас не хватает для всех устройств в сети, а в будущем точно не хватит. Поэтому была предложена новая версия IPv6 в которой длина IP адреса составляет 16 байт. Сейчас эта версия вводится в эксплуатацию, но процесс занимает очень долгое время.

Длина заголовка

Следующее поле длина заголовка. В отличии от Ethernet заголовок IP включает обязательные поля, а также может включать дополнительные поля, которые называются опции. В поле длина заголовка записывается полная длина, как обязательной части, так и опции.

Тип сервиса

Следующее поле тип сервиса. Это поле нужно для обеспечения необходимого качества обслуживания, но сейчас на практике используется очень редко.

Общая длина

Следующее поле общая длина. Общая длина содержит длину всего IP пакета, включая заголовок и данные. Максимальная длина пакета 65 535 байт, но на практике такие большие пакеты не используются, а максимальный размер ограничен размером кадра канального уровня, а для Ethernet это 1 500 байт. В противном случае для передачи одного IP пакета необходимо было бы несколько кадров канального уровня что неудобно.

Идентификатор пакета

Поля идентификатор пакета, флаги и смещение фрагмента используются для реализации фрагментации.

Время жизни

Дальше идет поле время жизни. Время жизни Time To Live или TTL — это максимальное время в течение которого пакет может перемещаться по сети. Оно введено для того чтобы пакеты не гуляли по сети бесконечно, если в конфигурации сети возникла какая-то ошибка. Например, в результате неправильной настройке маршрутизаторов в сети, может образоваться петля. Раньше, время жизни измерялось в секундах, но сейчас маршрутизаторы обрабатывают пакет значительно быстрее чем за секунду, поэтому время жизни уменьшается на единицу на каждом маршрутизаторе, и оно измеряется в количествах прохождения через маршрутизаторы по-английски (hop) от слова прыжок. Таким образом название время жизни сейчас стало уже некорректным.

Тип протокола

После времени жизни, указывается тип протокола следующего уровня. Это поле необходимо для реализации функции мультиплексирования и демультиплексирования, то есть передачи с помощью протокола IP данных от разных протоколов следующего уровня. В этом поле указывается код протокола следующего уровня, некоторые примеры кодов для TCP код 6, UDP — 17 и ICMP — 1.

Контрольная сумма

Затем идет контрольная сумма, которая используется для проверки правильности доставки пакета, если при проверке контрольные суммы обнаруженные ошибки, то пакет отбрасывается, никакой информации отправителю пакета не отправляется. Контрольная сумма рассчитывается только по заголовку IP пакета и она пересчитывается на каждом маршрутизаторе из-за того что данные в заголовке меняются. Как минимум изменяется время жизни пакета, а также могут измениться некоторые опции.

IP адрес получателя и отправителя

После контрольной суммы идут IP адрес отправителя, и IP адрес получателя. В IPv4 длина IP адреса четыре байта, 32 бита на этом обязательная часть IP заголовка заканчивается, после этого идут не обязательные поля которые в IP называются опции.

Опции

Некоторые примеры опций. Для диагностики работы сети используется опция — записать маршрут, при которой в IP пакет записывается адрес каждого маршрутизатора через которую он проходит.

И опция — временные метки, при установке которой, каждый маршрутизатор записывает время прохождения пакеты.

Также опции позволяют отказаться от автоматической маршрутизации, и задать маршрут отправитель:

Опции в заголовке IP может быть несколько и они могут иметь разный размер. В то же время длина IP заголовка должна быть кратна 32, поэтому при необходимости, в конце IP заголовок заполняются нулями до выравнивание по границе 32 бита. Следует отметить, что сейчас опции в заголовке IP почти не используются.

В статье был рассмотрен протокол IP (Internet Protocol) — протокол межсетевого взаимодействия. Протокол IP является основой интернета. В OSI находится на сетевом уровне.

Источник