«Адресація в комп'ютерних мережах. ІРv4»
План
1
. Загальні принципи адресації у сучасних комп’ютерних мережах. MAC-адреса2. Характеристика ІР-адресації. ІР-адреси версії 4 (IPv4)
3. Відповідність між адресами різних типів
1. Загальні принципи адресації у сучасних комп’ютерних мережах. MAC-адреса
Для передачі даних в локальних і глобальних мережах пристрій-відправник має знати адресу пристрою-одержувача, тому важливими моментами функціонування сучасних комп’ютерних мереж є питання, пов’язані з адресацією кінцевих вузлів та комунікаційних пристроїв, зокрема питання:
– забезпечення унікальності адрес у межах мережі;
– узгодження застосування адрес різних типів;
– конфігурування адрес мережних адаптерів/інтерфейсів.
Для ідентифікації мережних адаптерів/інтерфейсів у сучасних мережах застосовується три типи адрес:
1) фізичні (локальні, апаратні) адреси;
2) логічні (мережні) адреси;
3) текстові (символьні, доменні) адреси.
Фізичні або апаратні адреси – це адреси, які призначаються мережним адаптерам/інтерфейсам на етапі виробництва. Формально вважається, що ці адреси змінити не можливо. Прикладами апаратних адрес можуть бути MAC-адреси технологій Ethernet, Wi-Fi.
Логічні або мережні адреси – це змінні адреси, які призначаються мережним адаптерам/інтерфейсам адміністраторами систем з дотриманням певних логічних правил. Прикладами мережних адрес є IP-адреси версій 4 та 6 стеку TCP/IP.
Для забезпечення інформаційного обміну у сучасній мережі використовуються фізичні і логічні адреси. Проте з точки зору користувача звернення до ресурсів із використанням фізичних або логічних адрес є складним процесом, оскільки потребує запам’ятовування великої кількості цифрових комбінацій, а людині простіше запам’ятовувати текст. Тому для полегшення роботи користувачів було введено ще один тип адрес – текстові адреси. Прикладами текстових адрес є доменні імена вузлів мережі Internet, Windows-імена комп’ютерів тощо.
При передачі інформації через середовище необхідно певним чином визначити адресата цієї інформації, тобто того, для кого вона призначена. На канальному рівні моделі OSI для цього використовуються МАС-адреси.
MAC-адреса (Media Access Control Address) – унікальний числовий ідентифікатор, який призначається виробником мережному адаптеру/ інтерфейсу. Досить часто як синонім терміна «MAC-адреса» застосовують термін «прошита адреса». MAC-адреса регламентовані стандартом ІЕЕЕ 802 та використовується для ідентифікації мережевих інтерфейсів вузлів мережі Ethernet (ІЕЕЕ 802.3), Wi-Fi (ІЕЕЕ 802.11).
MAC-адреса має довжину 48 бітів (6 байтів). Як правило, відображення MAC-адреси здійснюється у шістнадцятковій формі числення, тобто 6 шістнадцяткових чисел.
Існують три загальноприйняті формати запису MAC-адрес, які відрізняються групуванням байтів та роздільними знаками:
– формат запису IEEE EUI-48 → 0C-8B-FD-93-63-EB;
– формат запису Unix Zero-Padded → 0c:8b:fd:93:63:eb;
– формат запису Cisco → 0c8b.fd93.63eb.
У деяких випадках запис MAC-адреси здійснюється без роздільників, як проста послідовність із шести байтів – 0C8BFD9363EBh.
Залежно від застосування MAC-адреса може бути ідентифікована як:
– унікальна MAC-адреса (Unicast MAC-Address) → 30-9С-23-15-Е8-8С;
– групова MAC-адреса (Multicast MAC-Address) → 01-80-С2-00-00-08 (перший біт старшого байта у групових МАС-адресах рівний 1)
– широкомовна MAC-адреса (Broadcast MAC-Address) → FF-FF-FF-FF-FF-FF.
Коли здійснювати передачу даних на індивідуальний МАС-адрес, наприклад 30-9С-23-15-Е8-8С, то дані отримує тільки один комп'ютер. Якщо передавати дані на груповий МАС-адрес, наприклад 01-80-С2-00-00-08, то ці дані отримують комп'ютери, які входять в групу. Широкомовна MAC-адреса – це адреса, що складається з усіх бітових одиниць, в шістнадцяковому форматі – FF-FF-FF-FF-FF-FF, дані відправлені за цією адресою отримують всі комп'ютери у мережі.
Існує два способи назначення МАС-адрес:
1) автоматичний (централізований) – адреса по замовчуванню, яка призначається виробником мережевого обладнання. Правила назначення МАС-адрес описується стандартом ІЕЕЕ 802;
2) ручний (локальний) – адреса назначається адміністратором мережі, який повинен забезпечити її унікальність.
Централізовані МАС-адреси комп'ютерів у всьому світі не повторюються, для цього реалізована ієрархічна схема. МАС-адрес розділений на дві однакові частини по 24 біти (3 байти):
І ) унікальний ідентифікатор виробника (OUI, Organizationally Unique Identifier); 00:00:0С – Cisco; 00:00:B3 – Intel; 00:00:AC – IBM.
ІІ) унікальна адреса обладнання (OUA, Organizationally Unique Address), призначається виробником, який відповідає за її унікальність.
| унікальний ідентифікатор виробника OUI | унікальна адреса обладнання OUA | ||||
| 00 | 00 | 0С | 00 | 02 | 8С |
| 24 біти | 24 біти | ||||
Переглянути МАС-адрес комп’ютера можна через командний рядок ввівши такі команди – для ОС Windows – ipconfig/all, а для ОС Linux – ipconfig або ip link або у вікні Відомості про мережеве підключення.
2. Характеристика ІР-адресації. ІР-адреси версії 4
Для забезпечення передачі даних у масштабних об’єднаних комп'ютерних мереж спроектованих за різними технологіями використовуються ІР-адресацію.
ІР-адреса (Internet Protocol Address) – тип адрес, на основі яких протоколи мережевого рівня передають пакети між мережами. ІР-адреса використовуються в стеку протоколів TCP/IP і Інтернет та застосовуються для унікальної ідентифікації комп’ютера в об’єднаних мережах.
На даних час існує дві типи IP-адрес:
IPv4 – складається із 32 біт (4 байт);
IPv6 – складається із 128 біт (16 байт).
Основна відмінність між IPv4 та IPv6 у довжині ІР-адресу.
Детально розглянемо як спроектовані адреси IPv4.
IP-адреса версії 4 має довжину 32 біти (4 байти). Як правило, запис IP- адреси версії 4 здійснюється побайтово у десятковій формі числення, і як роздільник байтів застосовується крапка. Такий запис називають десятково-крапковим форматом запису (Decimal-Dotted Notation). Іноді цей запис за кількістю байтів називають Quad-Dotted Notation.
У деяких специфічних випадках запис IP-адреси версії 4 здійснюється у шістнадцятковій формі без роздільників.
Діапазон можливих IP-адрес версії 4 має вигляд: 0.0.0.0 – 255.255.255.255
У цьому діапазоні наявно 232 (4294967296) IP-адрес. Фактично, за рахунок певних правил та винятків, застосовується менша кількість адрес. Насправді доступних IP-адрес ще менше, оскільки частина з адрес мають спеціальне призначення.
Важливе значення при масштабуванні мереж є робота із підмережами (ІР-мережі) – це множина комп'ютерів, у яких старша частина ІР-адреси однакова.
Маршрутизатори, які передають дані на мережевому рівні працюють не з окремими ІР-адресам, а з підмережами.
Структурно IP-адреса версії 4 складається з двох частин:
1) номера підмережі – містить IP-адресу підмережі
2) номера хоста (вузла) – IP-адресу комп’ютера в цій мережі.
Поділ IP-адреси версії 4 на частини здійснюється з використанням двох підходів:
– класовий (класова IP-адресація (Classful IP-Addressing);
– безкласовий (безкласова IP-адресація (Classless IP-Addressing).
І. Класова IP-адресація (класовий підхід) була розроблена як основна система адресації на початковому етапі розвитку мережі Internet.
Інтенсивний розвиток мережі поставив перед фахівцями основну проблему класового підходу до IP-адресації – неефективне використання адресного простору, наслідком якого став дефіцит IP-адрес.
Організації, що підключалися до мережі, у багатьох випадках отримували IP-адреси мереж, адресні діапазони яких використовувалися у межах 10 – 20%. Саме потреба економного використання адресного простору і призвела до необхідності розробки безкласового підходу до IP-адресації. Основне завдання, яке необхідно було вирішити фахівцям у ході розробки нової системи адресації– це збереження сумісності з класовою IP-адресацією. Тому базові принципи, що були покладені в основу класової адресації, збереглися і в безкласовій IP-адресації.
Розширення адресного простору існуючої системи IP-адресації версії 4 було здійснено за рахунок упровадження спеціальної технології заміни адрес NAT (Network Address Translation). Дана технологія і нині широко застосовується і розвивається.
У класовому підході діапазон можливих IP-адрес поділяється на п’ять класів. У кожному з класів формуються діапазони IP-адрес мереж за правилами, які визначають структуру адреси та структуру старшого її байта. Класи відрізняються один від одного кількістю бітів, що відведені на адресу мережі і адреси хостів в мережі (рисунок 1). Біт або послідовність бітів на початку кожної адреси задають її клас.
Рисунок 1 – Структура IP-адрес різних класів
У класі А на IP-адресу мережі виділяється один байт, а на IP-адресу вузла– три байти. У класі B як на IP-адресу мережі, так і на IP-адресу вузла виділяється по два байти. У класі С на IP-адресу мережі виділяється три байти, а на IP-адресу вузла – один байт. IP-адреси класу D застосовуються як групові. IP-адреси класу E зарезервовані для експериментального використання. На практиці застосовуються адреси всіх класів, крім класу Е.
У кожному з класів формуються діапазони IP-адрес мереж за правилами, які визначають структуру адреси та структуру старшого її байта (таблиця 1).
Таблиця 1.
| Клас | Структура старшого байту в ІР-адресі підмережі | ||||
| Перші біти в октеті | Двійкове значення ІР-адреси | Десяткове значення IP-адрес | |||
| мінімальне | максимальне | мінімальне | максимальне | ||
| А | 0 | 00000000 | 01111111 | 0 | 127 |
| В | 10 | 10000000 | 10111111 | 128 | 191 |
| С | 110 | 11000000 | 11011111 | 192 | 223 |
| D | 1110 | 11100000 | 11101111 | 224 | 239 |
| E | 1111 | 11110000 | 11111111 | 240 | 255 |
Інформацію про діапазони IP-адрес мереж відповідних класів та їх кількісні параметри наведено у таблиці 2.
Таблиця 2.
| Клас | Перші біти в октеті | Можливе десяткове значення І-го октету | Кількість підмереж (ІР-мереж) | Кількість IP-адрес вузлів у мережі |
| А | 0 | 1-126 | 126 (27–2)* | 16777214 (224–2)** |
| В | 10 | 128-191 | 16384 (214) | 65534 (216–2)** |
| С | 110 | 192-223 | 2097152 (221) | 254(28–2)** |
| D | 1110 | 224-239 | Використовується для багатоадресного розсилання | |
| E | 1111 | 240-254 | Зарезервовані як експериментальні | |
Примітка: * – дві IP-адреси мереж класу А (0.0.0.0 та 127.0.0.0) вилучено із звичайного застосування; ** – дві IP-адреси з діапазону окремої мережі (нульова й остання) зарезервовані для спеціальних цілей і не можуть бути призначені вузлам: нульова IP-адреса – це IP-адреса мережі; остання IP-адреса– це широкомовна IP-адреса мережі.
Спеціальні ІР-адреси:
0.0.0.0 – адрес поточно вузла, використовується тоді, коли комп'ютер ще не отримав свій ІР-адрес;
255.255.255.255 – всі вузли в поточній підмережі, які обмежені широкомовною адресою;
127.0.0.0 – «зворотна петля», спеціальний діапазон адрес, який використовується для тестування мережі якщо немає мережевого обладнання або вона налаштовано не так як треба, у цьому випадку дані не відправляються у мережу, а приходять зворотно на ПК.
169.254.0.0 – група адрес, якщо не налаштований ІР-адрес то ОС може самостійно налаштувати адрес із цього діапазону. Такі адреса використо-вуються в межах однієї підмережі і не проходять через маршрутизатор.
На початковому етапі впровадження класової IP-адресації передбачалося, що всі IP-адреси класів A, B та C будуть застосовуватися для адресації вузлів у глобальній мережі Інтернет, однак із часом деякі IP-адреси мереж були вилучені для спеціального застосування. Серед них слід згадати так звані приватні IP-адреси (Private IP-Addresses), які були виділені для застосування у локальних мережах, що взагалі не мають підключення до глобальної мережі Інтернет або підключаються за допомогою технології заміни адрес NAT.
Для того, щоб визначити де в загальній ІР-адресі вказано ІР-адресу підмережі, а де ІР-адреса самого вузла, використовують маску підмережі.
Маска мережі/підмережі – це 32-бітна послідовність, яка містить всі двійкові 1 у полі номера підмережі і всі двійкові 0 у полі номера вузла. З її допомогою можна визначити, до якої саме мережі належить певний вузол.
Якщо ІР-адреса належить до певного класу. У такому випадку цій адресі відповідає маска певного класу за замовчуванням (таблиця 3).
Існує також формат запису маски, у якому вказується лише кількість біт, яка виставлена в 1. Такі маски записують через слеш (/) після ІР-адреси вузла (таблиця 3).
Таблиця 3.
| Клас | Маска | ||||
| Десяткова форма | Двійкова форма | Префікс | |||
| А | 255.0.0.0 | 11111111.00000000. 00000000. 00000000 | /8 | ||
| В | 255.255.0.0 | 11111111. 11111111. 00000000. 00000000 | /16 | ||
| С | 255.255.255.0 | 11111111. 11111111. 11111111. 00000000 | /24 | ||
ІІ. Безкласова адресація частково розв’язала проблему дефіциту IP-адрес.
Безкласова IP-адресація, також відома як механізм використання масок підмереж змінної довжини, передбачає, що ідентифікація мережі здійснюється за допомогою двох параметрів – IP-адреси та мережної маски/префікса мережі.
На відміну від класової IP-адресації у безкласовій IP-адресації поділ IP-адреси на частини – IP-адресу (номер) мережі та IP-адресу (номер) вузла – здійснюється не побайтово, а побітово. Побітовий поділ надає можливість збільшити кількість варіантів формування IP-адрес мереж та можливість більш економно використовувати загальний адресний простір.
Розглянемо приклад безкласової ІР-адресації:
| ІР 213.180.193.3 /20 | ||
| IP | 11010101.10110100.11000001.00000011 | |
| | AND | |
| Маска | 11111111.11111111.11110000.00000000 | |
| Підмережа | 11010101.10110100.11000000.00000000 | |
| Підмережа (десяткова форма) | 213.180.192.0 | |
| Вузол (десяткова форма) | 0.0.1.3 | |
Розрізняють такі типи ІР-адрес у мережах ІРv4:
– індивідуальний – це ІР-адрес конкретного комп’ютера у мережі. Відправка даних на індивідуальний вузол у мережі, використовується, як в «клієнт-серверних» мережах та і в однорангових мережах;
– груповий – це ІР-адрес, який використовується декількома комп’ютерами у мережі. Відправлені дані на груповий адрес отримають декілька комп'ютерів у мережі. Групове розсилання даних призначене для збереження пропускної спроможності мережі;
– широкомовний – це ІР-адрес, який використовується для отримання даних всіма комп’ютерами у підмережі.
Широкомовний ІР-адрес має в номері вузла всі одиниці.
Наприклад. ІР-адрес: 213.180.193.3 /24
Двійкова форма: 11010101. 10110100. 11000001.00000011
Широкомовний адрес в 2-вій формі: 11010101. 10110100. 11000001.11111111
Широкомовний адрес: 213.180.193.255
Широкомовні адреса використовуються тільки в одній підмережі. Маршрутизатори не пересилають широкомовні пакети.
Загальне керування адресним простором IP-адрес здійснює Адміністрація адресного простору Інтернет (IANA, Internet Assigned Numbers Authority). IANA підпорядковуються регіональні Інтернет-реєстратори (RIR, Regional Internet Registries), яким, у свою чергу, підпорядковуються локальні Інтернет-реєстратори (LIR, Local Internet Registries) – провайдери послуг Інтернет. Регіональні Інтернет-реєстратори розподіляють IP-адреси як між кінцевими користувачами, так і між локальними Інтернет-провайдерами.
3. Відповідність між адресами різних типів
Важливою проблемою адресації сучасних мереж є узгодження використання адрес різних типів, зокрема:
– встановлення і дотримання відповідностей між логічними і фізичними адресами;
– встановлення і дотримання відповідностей між текстовими і логічними адресами.
Схему встановлення відповідностей між текстовими, логічними та фізичними адресами на прикладі доменних імен глобальної мережі Інтернет, IP-адрес версії 4 та MAC-адрес технології Ethernet наведено на рисунку 2.
Рисунок 2 – Схема встановлення відповідностей між адресами різних типів
У даному випадку встановлення відповідностей між IP-адресами і MAC-адресами забезпечує протокол ARP, а встановлення відповідностей між доменними іменами і IP-адресами – система DNS.
Дати відповіді на контрольні питання
Контрольні запитання
1. До якого типу адрес відносить вказана адреса google.com.ua?
2. Яка служба відповідає за перетворення доменної адреси у ІР-адресу?
3. Яка адреса прив'язана до технології мережі?
4. Який стандарт регламентує МАС-адреси?
5. Скільки існує класів ІР-адрес?
6. Хто здійснює загальне керування адресним простором IP-адрес?
V Підведення підсумків заняття
VI Оголошення домашнього завдання
законспектувати динамічні та статичні ІР-адреси
підготуватись до проведення практичної роботи «Дослідження ІР-адрес».