6.2 Адресация в IP-сетях

Типы адресов в IP-сетях

Каждый терминал в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней:

1. Физический (МАС-адрес) - локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-AO-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизованно. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, включая Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.
2. Сетевой (IP-адрес), состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно или назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами.
   Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и номера узла - гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае, узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.
3. Символьный (DNS-имя) - идентификатор-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или Telnet.

Три основных класса IP-адресов

IP-адрес имеет длину 4 байта и обычно записывается в виде четырех чисел, представляющих значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например: 128.10.2.30 - традиционная десятичная форма представления адреса, 10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма представления этого же адреса. На рисунке 6.2 показана структура IP-адреса.

Рисунок 6.2 - Структура IP-адреса

Адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая - к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса:

• Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу A, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса A имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) В сетях класса A количество узлов должно быть больше 216 , но не превышать 224.
• Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу B и является сетью средних размеров с числом узлов 28-216. В сетях класса B под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.
• Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса C с числом узлов не больше 28. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.
• Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.
• Если адрес начинается с последовательности 11110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.

В таблице 6.1 приведены диапазоны номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.

Отображение физических адресов на IP-адреса

В протоколе IP-адрес узла, то есть адрес компьютера или порта маршрутизатора, назначается произвольно администратором сети и прямо не связан с его локальным адресом, как это сделано, например, в протоколе межсетевого пакетного обмена IPX (Internetwork Packet Exchange). Подход, используемый в IP, удобно применять в крупных сетях и по причине его независимости от формата локального адреса, и по причине стабильности, так как в противном случае, при смене на компьютере сетевого адаптера эти изменения должны бы были учитывать все адресаты всемирной сети Internet (в том случае, конечно, если сеть подключена к Internet).

Локальный адрес используется в протоколе IP только в пределах локальной сети при обмене данными между маршрутизатором и узлом этой сети. Маршрутизатор, получив пакет для узла одной из сетей, непосредственно подключенных к его портам, должен для передачи пакета сформировать кадр в соответствии с требованиями принятой в этой сети технологии и указать в нем локальный адрес узла, например его МАС-адрес. В поступившем пакете этот адрес не указан, поэтому перед маршрутизатором встает задача поиска его по известному IP-адресу, который указан в пакете в качестве адреса назначения. С аналогичной задачей сталкивается и конечный узел, когда необходимо отправить пакет в удаленную сеть через маршрутизатор, подключенный к той же локальной сети, что и данный узел.

Для определения локального адреса по IP-адресу используется протокол разрешения адреса Address Resolution Protocol, ARP. Протокол ARP работает различным образом в зависимости от того, какой протокол канального уровня работает в данной сети - протокол локальной сети (Ethernet, Token Ring, FDDI) с возможностью широковещательного доступа одновременно ко всем узлам сети, или же протокол глобальной сети (Х.25, Frame Relay), как правило, не поддерживающий широковещательный доступ. Существует также протокол, решающий обратную задачу - нахождение IP-адреса по известному локальному адресу. Он называется реверсивным ARP - RARP (Reverse Address Resolution Protocol) и используется при старте бездисковых станций, не знающих в начальный момент своего IP-адреса, но знающих адрес своего сетевого адаптера.

В локальных сетях протокол ARP использует широковещательные кадры протокола канального уровня для поиска в сети узла с заданным IP-адресом.

Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP-запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно. Все узлы локальной сети получают ARP-запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным. В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP-запросе отправитель указывает свой локальный адрес. ARP-запросы и ответы используют один и тот же формат пакета. Так как локальные адреса могут в различных типах сетей иметь различную длину, то формат пакета протокола АRР зависит от типа сети. На рисунке 6.3 показан формат пакета протокола ARP для передачи по сети Ethernet.

В поле типа сети для сетей Ethernet указывается значение 1. Поле типа протокола позволяет использовать пакеты ARP не только для протокола IP, но и для других сетевых протоколов. Для IP значение этого поля равно 0800₁₆.

Длина локального адреса для протокола Ethernet равна 6 байтам, а длина IP-адреса - 4 байтам. В поле операции для АRР запросов указывается значение 1 для протокола ARP и значение 2 для протокола RARP.

Узел, отправляющий ARP-запрос, заполняет в пакете все поля, кроме поля искомого локального адреса (для RARP-запроса не указывается искомый IP-адрес). Значение этого поля заполняется узлом, опознавшим свой IP-адрес.

В глобальных сетях администратору сети чаще всего приходится вручную формировать ARP-таблицы, в которых он задает, например, соответствие IP-адреса адресу узла сети Х.25, который имеет смысл локального адреса. В последнее время наметилась тенденция автоматизации работы протокола ARP и в глобальных сетях. Для этой цели среди всех маршрутизаторов, подключенных к какой-либо глобальной сети, выделяется специальный маршрутизатор, который ведет ARP-таблицу для всех остальных узлов и маршрутизаторов этой сети. При таком централизованном подходе для всех узлов и маршрутизаторов вручную нужно задать только IP-адрес и локальный адрес выделенного маршрутизатора. Затем каждый узел и маршрутизатор регистрирует свои адреса в выделенном маршрутизаторе, а при необходимости установления соответствия между IP-адресом и локальным адресом узел обращается к выделенному маршрутизатору с запросом и автоматически получает ответ без участия администратора.

Отображение символьных адресов на IP-адреса

Служба DNS (Domain Name System) - это распределенная база данных, поддерживающая иерархическую систему имен для идентификации узлов в сети Internet. Служба DNS предназначена для автоматического поиска IP-адреса по известному символьному имени узла. Спецификация DNS определяется стандартами RFC 1034 и 1035. DNS требует статической конфигурации своих таблиц, отображающих имена компьютеров в IP-адрес.

Протокол DNS является служебным протоколом прикладного уровня. Этот протокол несимметричен - в нем определены DNS-серверы и DNS-клиенты. DNS-серверы хранят часть распределенной базы данных о соответствии символьных имен и IP-адресов. Эта база данных распределена по административным доменам сети Internet. Клиенты сервера DNS знают IP-адрес сервера DNS своего административного домена и по протоколу IP передают запрос, в котором сообщают известное символьное имя и просят вернуть соответствующий ему IP-адрес.

Если данные о запрошенном соответствии хранятся в базе данного DNS-сервера, то он сразу посылает ответ клиенту, если же нет - то он посылает запрос DNS-серверу другого домена, который может сам обработать запрос или передать его другому DNS-серверу. Все DNS-серверы соединены иерархически, в соответствии с иерархией доменов сети Internet. Клиент опрашивает эти серверы имен, пока не найдет нужные отображения. Этот процесс ускоряется из-за того, что серверы имен постоянно кэшируют (caching - ускоренная обработка данных, cache - сверхоперативная память, в которой хранятся готовые к использованию и часто запрашиваемые данные) информацию, предоставляемую по запросам. Клиентские компьютеры могут использовать в своей работе IP-адреса нескольких DNS-серверов для повышения надежности своей работы.

База данных DNS имеет структуру дерева, называемого доменным пространством имен, в котором каждый домен (узел дерева) имеет имя и может содержать структурные части - поддомены. Имя домена идентифицирует его положение в этой базе данных по отношению к родительскому домену, причем точки в имени отделяют части, соответствующие узлам домена.

Корень базы данных DNS управляется центром Internet Network Information Center. Домены верхнего уровня назначаются для каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать международному стандарту ISO 3166. Для обозначения стран используются трехбуквенные и двухбуквенные аббревиатуры, а для различных типов организаций используются следующие аббревиатуры:

• com - коммерческие организации (например, microsoft.com);
• edu - образовательные (например, mit.edu);
• gov - правительственные организации (например, nsf.gov);
• org - некоммерческие организации (например, fidonet.org);
• net - организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).

Каждый домен DNS администрируется отдельной организацией, которая обычно разбивает свой домен на поддомены (subdomain) и передает функции администрирования этих поддоменов другим организациям. Каждый домен имеет уникальное имя, а каждый из поддоменов имеет уникальное имя внутри своего домена. Имя домена может содержать до 63 символов. Каждый хост (host - ведущий узел в системе или главная станция, на которой сосредоточены основные информационные ресурсы) в сети Internet однозначно определяется своим полным доменным именем (fully qualified domain name, FQDN), которое включает имена всех доменов по направлению от хоста к корню. Пример полного DNS-имени: citint.dol.ru.

Автоматизация процесса назначения IP-адресов

Как уже было сказано, IP-адреса могут назначаться администратором сети вручную. Это представляет для администратора утомительную процедуру. Ситуация усложняется еще тем, что многие пользователи не обладают достаточными знаниями для того, чтобы конфигурировать свои компьютеры для работы в Internet и должны поэтому полагаться на администраторов.

Протокол динамической настройки хоста Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) был разработан для того, чтобы освободить администратора от этих проблем. Основным назначением DHCP является динамическое назначение IP-адресов. Однако, кроме динамического, DHCP может поддерживать и более простые способы ручного и автоматического статического назначения адресов.

В ручной процедуре назначения адресов активное участие принимает администратор, который предоставляет DHCP-серверу информацию о соответствии IP-адресов физическим адресам или другим идентификаторам клиентов. Эти адреса сообщаются клиентам в ответ на их запросы к DHCP-серверу.

При автоматическом статическом способе DHCP-сервер присваивает IP-адрес (и, возможно, другие параметры конфигурации клиента) из пула наличных IP-адресов без вмешательства оператора. Границы пула назначаемых адресов задает администратор при конфигурировании DHCP-сервера. Между идентификатором клиента и его IP-адресом по-прежнему, как и при ручном назначении, существует однозначное соответствие. Оно устанавливается в момент первичного назначения сервером DHCP IP-адреса клиенту. При всех последующих запросах сервер возвращает тот же самый IP-адрес.

При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ограниченное время, что дает возможность впоследствии повторно использовать IP-адреса другими компьютерами. Динамическое разделение адресов позволяет строить IP-сеть, количество узлов в которой намного превышает количество имеющихся в распоряжении администратора IP-адресов.

Протокол DHCP обеспечивает надежный и простой способ конфигурации сети TCP/IP, гарантируя отсутствие конфликтов адресов за счет централизованного управления их распределением. Администратор управляет процессом назначения адресов с помощью параметра «продолжительности аренды» (lease duration), которая определяет, как долго компьютер может использовать назначенный IP-адрес, перед тем как снова запросить его от сервера DHCP в аренду.

Примером работы протокола DHCP может служить ситуация, когда компьютер, являющийся клиентом DHCP, удаляется из подсети. При этом назначенный ему IP-адрес автоматически освобождается. Когда компьютер подключается к другой подсети, то ему автоматически назначается новый адрес. Ни пользователь, ни сетевой администратор не вмешиваются в этот процесс. Это свойство очень важно для мобильных пользователей.

Протокол DHCP использует модель клиент-сервер. Во время старта системы компьютер-клиент DHCP, находящийся в состоянии «инициализация», посылает сообщение discover (исследовать), которое широковещательно распространяется по локальной сети и передается всем DHCP-серверам частной интерсети. Каждый DHCP-сервер, получивший это сообщение, отвечает на него сообщением offer (предложение), которое содержит IP-адрес и конфигурационную информацию.

Компьютер-клиент DHCP переходит в состояние «выбор» и собирает конфигурационные предложения от DHCP-серверов. Затем он выбирает одно из этих предложений, переходит в состояние «запрос» и отправляет сообщение request (запрос) тому DHCP-серверу, чье предложение было выбрано.

Выбранный DHCP-сервер посылает сообщение DHCP-acknowledgment (подтверждение), содержащее тот же IP-адрес, который уже был послан ранее на стадии исследования, а также параметр аренды для этого адреса. Кроме того, DHCP-сервер посылает параметры сетевой конфигурации. После того, как клиент получит это подтверждение, он переходит в состояние «связь», находясь в котором он может принимать участие в работе сети TCP/IP. Компьютеры-клиенты, которые имеют локальные диски, сохраняют полученный адрес для использования при последующих стартах системы. При приближении момента истечения срока аренды адреса компьютер пытается обновить параметры аренды у DHCP-сервера, а если этот IP-адрес не может быть выделен снова, то ему возвращается другой IP-адрес.

В протоколе DHCP описывается несколько типов сообщений, которые используются для обнаружения и выбора DHCP-серверов, для запросов информации о конфигурации, для продления и досрочного прекращения лицензии на IP-адрес. Все эти операции направлены на то, чтобы освободить администратора сети от утомительных рутинных операций по конфигурированию сети.

Однако использование DHCP несет в себе и некоторые проблемы. Во-первых, это проблема согласования информационной адресной базы в службах DHCP и DNS. Как известно, DNS служит для преобразования символьных имен в IP-адреса. Если IP-адреса будут динамически изменятся сервером DHCP, то эти изменения необходимо также динамически вносить в базу данных сервера DNS. Хотя протокол динамического взаимодействия между службами DNS и DHCP уже реализован некоторыми фирмами (так называемая служба Dynamic DNS), стандарт на него пока не принят.

Во-вторых, нестабильность IP-адресов усложняет процесс управления сетью. Системы управления, основанные на простом протоколе сетевого управления SNMP (Simple Network Management Protocol), разработаны с расчетом на статичность IP-адресов. Аналогичные проблемы возникают и при конфигурировании фильтров маршрутизаторов, которые оперируют с IP-адресами.

Наконец, централизация процедуры назначения адресов снижает надежность системы: при отказе DHCP-сервера все его клиенты оказываются не в состоянии получить IP-адрес и другую информацию о конфигурации. Последствия такого отказа могут быть уменьшены путем использования в сети нескольких серверов DHCP, каждый из которых имеет свой пул IP-адресов.

Служба каталогов на базе протокола LDAP

Протокол LDAP (Lightweight Directory Access Protocol - упрощенный протокол доступа к каталогам) является стандартом доступа к службам сетевых каталогов, а протокол DHCP используется для динамического присвоения IP-адресов пользователям при доступе к сетевым ресурсам. Как заявляют компании-разработчики, объединение этих двух технологий поможет разрешить некоторые серьезные проблемы, присущие протоколу TCP/IP, например, управление адресами, разработку стратегии безопасности и одновременное использование информации об адресах (на что не способны DHCP-серверы).

Протокол LDAP упрощает работу в сетевой среде. Так, пользователи получают возможность входить в систему с любого узла сети и работать с привычными для себя настройками, поскольку информация о них будет сохраняться в основанном на LDAP каталоге. В будущем основанные на LDAP каталоги могут применяться для поддержки инфраструктуры Intranet и Internet. Например, службы типа системы именования доменов (DNS) и DHCP будут использовать серверы каталогов на базе LDAP в качестве своих хранилищ информации. Тогда эти службы приобретут дополнительные достоинства - модульную структуру и независимость от места размещения.

Протокол LDAP специально предназначен для использования с управляющими и браузерными (browser - программа ускоренного просмотра файла) приложениями, которые обеспечивают интерактивный доступ к каталогам с возможностью чтения и записи. LDAP - это протокол взаимодействия клиента и сервера, обеспечивающий доступ к службе каталогов и работающий непосредственно поверх протокола ТСР/IР.

Набор API-интерфейсов протокола LDAP достаточно прост. Протокол становится одним из наиболее предпочтительных для работы с каталогами в Internet. Поскольку уже более 40 компаний обеспечивают поддержку LDAP в своих продуктах или заявили о таком намерении, этот протокол быстро завоевывает себе популярность и получает все более широкое распространение. В настоящее время серверы LDAP выпускаются компаниями Microsoft, Netscape Communications, Lucent Technologies, ISODE, Critical Angle, Novell, Banyan Systems и др. Некоторые браузеры Web, например Netscape Communicator, имеют встроенный клиент LDAP.

Применяемая в LDAP информационная модель основана на схеме, использованной в протоколе Х.500, которая, в свою очередь, базируется на «именных записях». Именные записи обозначают либо реальные объекты, например, какого-нибудь пользователя, либо некоторую сетевую службу, например, службу преобразования адресов. Каждая запись сопровождается атрибутами, имеющими одно или несколько значений, и хранит информацию, которую при необходимости можно найти. Как правило, каталог на базе LDAP поддерживает репликацию (replication - создание нескольких копий одного и того же файла, каждая из которых хранится на отдельном сервере, при этом обеспечивается автоматическое согласование копий в процессе обновления данных), что повышает надежность и увеличивает быстродействие системы.

Система именования доменов (DNS) нужна для того, чтобы компьютеры могли находить друг друга в сети. С помощью коммуникационных протоколов служба DHCP распространяет информацию об IP-адресах и другие сведения среди клиентов сети; обычно это делается при запуске системы. Службу DHCP можно настроить таким образом, чтобы временно присваивать клиентам динамические адреса из некоторого банка свободных адресов и переназначать эти адреса по мере необходимости.

Автоматическое присвоение IP-адреса требует относительно тесной связи между серверами DNS и DHCP, установленными на данном узле сети. Эта связь необходима, поскольку, присваивая клиенту IP-адрес, сервер DHCP должен иметь возможность обновления информации о соответствии имени клиента присвоенному ему адресу.

Совмещение технологий DHCP и DNS с возможностями каталогов на базе LDAP позволит добиться как минимум следующих преимуществ:

• стандартизовать метод доступа для поиска и сохранения данных в информационном хранилище серверов DHCP и DNS;
• обеспечить гибкость построения сети (поскольку сетевой протокол LDAP способен работать на различных платформах, появляется возможность размещения серверного хранилища информации на других машинах);
• ввести принцип репликации (уже сейчас многие поставщики встраивают функции репликации в создаваемые ими службы каталогов на базе LDAP; в будущем они еще больше расширятся, так как комитет IETF начинает разрабатывать стандартный протокол LDAP с возможностью репликации).

Главная цель объединения серверов - дать пользователям возможность встраивать в их системы управления сетевыми адресами средства повышения надежности, безопасности и синхронизации имен и адресов.

Процесс взаимодействия серверов LDAP и DHCP показан на рисунке 6.4. Клиент посылает запрос на доступ в Internet с указанием нужного адреса и ресурса. Сервер DHCP автоматически присваивает клиенту IP-адрес и связывает пользователя с ресурсами в каталоге LDAP. Сервер LDAP находит указанные ресурсы и автоматически соединяет пользователя с соответствующим узлом сети.

Рисунок 6.4 - Процесс взаимодействия серверов DHCP и LDAP

Как и DNS, LDAP - это служба каталогов в архитектуре клиент-сервер. Каталоги могут содержать самую разную информацию, например, базу данных пересчета телефонных номеров Е.164 в IP-адреса для пользователей IP-телефонии. Составляющие дерево каталога LDAP данные хранятся на одном или более серверах LDAP. Если при обращении клиента LDAP, например шлюза IP-телефонии, сервер не может ответить на запрос, то, во всяком случае, он может возвратить ему указатель на другой сервер LDAP, где запрашиваемая информация может быть найдена.

Адресация в IPv6

Одним из основных отличий внедряемого в настоящее время протокола IPv6 от протокола IPv4 является использование более длинных адресов. Адреса получателя и источника в IPv6 имеют длину 128 бит (16 байт). Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов:

• Unicast - индивидуальный адрес. Определяет отдельный узел - компьютер или порт маршрутизатора. Пакет должен быть доставлен узлу по кратчайшему маршруту.
• Cluster - адрес кластера. Обозначает группу узлов, которые имеют общий адресный префикс (например, присоединенных к одной физической сети). Маршрутизатор должен доставить пакет группе узлов по кратчайшему пути, а внутри кластера пакет доставляется только одному из членов группы (например, ближайшему узлу).
• Multicast - адрес набора узлов, возможно, принадлежащих различным физическим сетям. Копии пакета должны быть доставлены каждому узлу набора, используя аппаратные возможности групповой или широковещательной доставки, если это возможно.

Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы, в зависимости от значения нескольких старших бит адреса.

Большая часть классов зарезервирована для будущего применения. Наиболее интересным для практического использования является класс, предназначенный для провайдеров услуг Internet, названный Provider-Assigned Unicast.

Адрес этого класса имеет следующую структуру:

Каждому провайдеру услуг Internet назначается уникальный идентификатор, которым помечаются все поддерживаемые им сети. Далее провайдер назначает своим абонентам уникальные идентификаторы и использует оба идентификатора при назначении блока адресов абонента. Абонент сам назначает уникальные идентификаторы своим подсетям и узлам этих сетей.

Абонент может использовать технику подсетей, применяемую в версии IPv4, для дальнейшего деления поля идентификатора подсети на более мелкие поля.

Описанная схема приближает схему адресации IPv6 к схемам, используемым в территориальных сетях, включая телефонные сети или сети Х.25. Иерархия адресных полей позволит магистральным маршрутизаторам работать только со старшими частями адреса, оставляя обработку менее значимых полей маршрутизаторам абонентов.

Под поле идентификатора узла требуется выделение не менее 6 байт, для того чтобы можно было использовать в IP-адресах МАС-адреса локальных сетей непосредственно.

Для обеспечения совместимости со схемой адресации версии IPv4, в версии IPv6 имеется класс адресов, имеющих 0000 0000 в старших битах адреса. Младшие 4 байта адреса этого класса должны содержать адрес IPv4. Маршрутизаторы, поддерживающие обе версии адресов, должны обеспечивать трансляцию при передаче пакета из сети, поддерживающей адресацию IPv4, в сеть, поддерживающую адресацию IPv6, и наоборот.