Протокол ip сети используется. Протокол IP

Протокол IP (Internet Protocol) является основным протоколом для всего набора TCP/IP и используется для управления рассылкой TCP/IP-пакетов по сети Internet.

Функционируя на сетевом уровне модели OSI, протокол IP относится к протоколам без установления соединения. Перед IP не ставится задача надежной доставки сообщений от отправителя к получателю.

IP – протокол выполняет несколько задач, среди которых основные: адресация, упаковка, фрагментация и маршрутизация.

Адресация. Протокол IP отвечает за доставку TCP/IP – пакетов до их конечного назначения и адрес назначения не меняется в процессе прохождения пакета по маршруту.

Упаковка . Протокол IP несет ответственность за упаковку данных протоколов транспортного уровня в структуры, называемые дейтаграммами , предназначенные для транспортировки передаваемой информации. Во время путешествия пакета маршрутизаторы создают дейтаграмме новый заголовок для каждого транзитного участка. Прежде чем попасть в место конечного назначения, пакет может пройти через различные сети, использующие разные протоколы, каждый из которых требует наличия собственного заголовка. Но, с другой стороны, IP – «конверт» остается без изменений в течение всего путешествия, за исключением нескольких битов, которые модифицируются в процессе следования (уместна аналогия с нанесением почтовых штемпелей на конверт).

Фрагментация. Размер IP – дейтаграмм, используемых для передачи данных транспортного уровня, зависит от применяемого протокола канального уровня. Сети Ethernet, например, могут переносить дейтаграммы размером до 1500 байт, а Token Ring способны поддерживать максимальный размер пакетов, равный 17914 байт. Система, передающая дейтаграммы, ограничивает размер пакета величиной максимально передаваемого блока (MTU – maximum transfer unit) конкретной сети, которая представляет собой наибольший размер кадра, транспортировку которого может осуществлять протокол канального уровня.

На пути следования к месту назначения пакеты могут проходить через сети с различными MTU.

Фрагментация реализуется, если разрешённая длина пакета нижнего уровня недостаточна для размещения первичного пакета, при этом осуществляется «нарезка» пакетов, затем маршрутизатор направляет каждый фрагмент дальше, но уже в изолированном пакете с собственным IP заголовком, аналогично при возврате на первичный уровень пакет должен быть дефрагментирован.

В зависимости от количества и характеристик сетей, встречающихся на трассе дейтаграммы, она может неоднократно подвергаться дроблению, прежде чем достигнет пункта назначения.

Фрагментация нежелательна, но это – необходимое зло.

Если даже только один из фрагментов дейтаграммы будет потерян или поврежден, потребуется повторная передача всей дейтаграммы .

Не существует способа повторной передачи только отдельного фрагмента, т.к. система – отправитель совершенно не в курсе процесса фрагментации, произведенной промежуточными маршрутизаторами. Протокол IP системы – получателя не пересылает входящую информацию вверх, протоколу транспортного уровня до тех пор, пока не получены все фрагменты дейтаграммы, и она не собрана полностью.

Маршрутизация . Так как протокол IP отвечает за доставку пакетов по месту конечного назначения, он определяет и путь, по которому направится пакет, но вся информация о пути, по которому должен пройти пакет, определяется по состоянию сети в момент прохождения пакета. Эта процедура называется маршрутизацией в отличие от коммутации (физической или виртуальной), используемой для предварительного установления маршрута следования отправляемых данных.

В комплексных сетях возможен выбор из множества вариантов маршрута, который может быть пройден пакетом на пути от источника к цели.

Маршрутизаторы постоянно оценивают имеющиеся для пакета варианты маршрута через сеть и могут определить самый оптимальный из них.

Протокол ICMP - Internet Control Message Protocol – протокол контроля сообщений в сети Internet.

Протокол ICMP выполняет сразу две роли в стеке TCP/IP, а именно: обеспечивает выработку управляющих сообщений об ошибках, например, информирует систему-источник о том, что переданные данные не достигли места назначения, а также переносит сообщения-запросы и сообщения-ответы для диагностических программ.

Так как сеть TCP/IP распределяет рутинные операции по маршрутизации между многими системами, не существует способа, с помощью которого любая из оконечных систем, вовлеченных в передачу пакета, могла бы иметь информацию о том, что же происходило на пути следования пакета. Протокол IP не устанавливает соединения, поэтому никаких подтверждающих сообщений на этом уровне отправителю не поступает. При использовании протокола Транспортного уровня, ориентированного на соединение, например, TCP, система-получатель подтверждает передачу, но только тех пакетов, которые она получает. Если же в процессе передачи происходит что-либо, не позволяющее пакету прибыть по месту назначения, протоколы TCP или IP не имеют никакой возможности известить отправителя о том, почему и как это случилось. Сообщения об ошибках протокола ICMP разработаны для компенсации этого недостатка. Когда промежуточная система, например, маршрутизатор, испытывает трудности с обработкой пакета, она обычно просто отбрасывает его, оставляя для протоколов более высоких уровней работу по отслеживанию отсутствующих пакетов и организации повторной передачи. Сообщения протокола ICMP позволяют маршрутизатору информировать отправителя о конкретной причине возникшей проблемы. Системы-получатели также могут посылать ICMP-сообщения, когда сталкиваются с тем, что пакет успешно прибывает, но его невозможно обработать.

Вместе с тем, ICMP-сообщения об ошибках являются только информационными. Система, получающая их, никак не отвечает и не обязана предпринимать никаких действий в плане исправления ситуации. Пользователю или администратору придется самим решать проблему, приводящую к неполадкам.

TCP/IP-системы могут совершенно свободно посылать ICMP-сообщения об ошибках, кроме некоторых специфических ситуаций:

· TCP/IP-системы не вырабатывают ICMP-сообщения об ошибках в ответ на другие ICMP-сообщения об ошибках. Без подобной оговорки две системы могут обмениваться ICMP-сообщениями об ошибках в обоих направлениях до бесконечности.

· В случае фрагментированной дейтаграммы система генерирует ICMP- сообщение об ошибке только для первого фрагмента.

· TCP/IP-системы никогда не посылают ICMP-сообщения об ошибках в ответ на широковещательные или групповые сообщения.

Сетевой протокол IP является базовым строительным элементом всей сети Интернет, построенной на базе стека протоколов TCP/IP. Он обеспечивает работу базовой службы доставки пакетов, все протоколы сетевого и соседних уровней используют протокол IP для доставки данных.

Протокол IP выполняет ряд важных функций:

1. Определяет базовую единицу передачи информации в сети Интернет – дейтограмму;
2. Определяет схему интернет-адресации (IP-адрес);
3. Осуществляет обмен данными между уровнем доступа к сети и транспортным уровнем;
4. Выполняет маршрутизацию пакетов, адресованных удаленным узлам;
5. Отвечает за разбиение и сборку дейтаграмм.

Особенностью протокола IP является то, что он не проверяет были ли данные успешно доставлены. Иными словами, данный протокол работает без создания логических соединений . Установка логических соединений делегируется протоколам других уровней (например, протокол TCP). Помимо этого, при обнаружении и исправлении ошибок протокол IP также полагается на другие протоколы.

Формат пакета, определяемый протоколом IP называется дейтаграммой.

Как видно дейтаграмма содержит множество различных полей, но нам интересны, в первую очередь, IP-адрес отправителя и IP-адрес получателя. Данные поля занимают по 4 байта каждый. По сути это число от 0.0.0.0 до 255.255.255.255, которое определяет адрес узла в сети Интернет. Доставка пакетов осуществляется на основе Ip-адреса получателя. Если адреса отправителя и получателя находятся в одной подсети, то пакет доставляется напрямую в пункт назначения. В противном случае, пакет будет сначала доставлен на шлюз по-умолчанию (маршрутизатор в локальной сети). Шлюз занимается коммутацией пакетов между физически обособленными сетями.

Другое полезное поле – идентификатор протокола. Данное поле занимает всего 1 байт и указывает какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет (например: TCP, UDP, RIP и др.). Иными словами, поле “протокол” указывает на то, какой тип данных передается поверх “IP”.

Время жизни пакета (TTL) – число переходов (хопов), за который пакет может существовать до своего исчезновения. Хоп – это участок между маршрутизаторами. Наличие этого параметра не позволяет пакету бесконечно путешествовать по сети. Поле TTL занимает 2 байта, соответственно максимальное значение TTL = 255.

Контрольная сумма заголовка – защищает от искажений, которые могут возникнуть в течении передачи пакета. Контрольная сумма вычисляется в передатчике, и полученное значение посылается с пакетом. Приемник повторяет те же самые вычисления всего пакета, включая контрольную сумму. Если результат вычисления удовлетворителен, то пакет принимается; в противном случае он отклоняется. Стоит отметить, что так как заголовки IP-пакета могут меняться (тот же самый TTL), то контрольная сумма рассчитывается при каждой обработке IP-пакета.

Поля “идентификатор”, “флаги”, “указатель фрагмента” относятся к такому понятию как фрагментация. IP-фрагментация – это разбиение датаграммы на множество частей, которые могут быть повторно собраны позже. При использовании пакетного форматирования сеть может передавать длинные сообщения более надежно и эффективно.

Поле идентификатор занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле флаги занимает 3 бита и содержит признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит DF (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит MF (More Fragment) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не последним фрагментом).

Поле указатель фрагмента занимает 13 бит и задает смещение в байтах поля данных этого пакет от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации.

Поле тип сервиса (ToS) – байт, содержащий набор критериев, определяющих тип обслуживания IP-пакетов. Тип обслуживания позволяет приоритезировать IP-трафик на сетевых маршрутизаторах, с целью обеспечения высокого качества передачи данных.

Байт побитно (0 – старший, 7 – младший):

• 0-2 – приоритет (predence) данного IP-пакета
• 3 – требования ко времени задержки (delay) передачи IP-пакета (0 – нормальная, 1 – низкая задержка)
• 4 – требования к пропускной способности (throughput) маршрута, по которому должен отправляться IP-сегмент (0 – низкая, 1 – высокая пропускная способность)
• 5 – требования к надежности (reliability) передачи IP-пакета (0 – нормальная, 1 – высокая надежность)
• 6-7 – явное сообщение о задержке

Подписывайтесь на нашу

Основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет протокол межсетевого взаимодействия - Internet Protocol (IP). К основным функциям протокола IP относятся:

• перенос между сетями различных типов адресной информации в унифицированной форме,
• сборка и разборка пакетов при передаче их между сетями с различным максимальным значением длины пакета.

Формат пакета IP

Пакет IP состоит из заголовка и поля данных. Заголовок пакета имеет следующие поля:

• Поле Номер версии (VERS) указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 и готовится переход на версию 6, называемую также IPng (IP next generation).
• Поле Длина заголовка (HLEN) пакета IP занимает 4 бита и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт в поле Резерв (IP OPTIONS).
• Поле Тип сервиса (SERVICE TYPE) занимает 1 байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (PRECEDENCE). Приоритет может иметь значения от 0 (нормальный пакет) до 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит T - для максимизации пропускной способности, а бит R - для максимизации надежности доставки.
• Поле Общая длина (TOTAL LENGTH) занимает 2 байта и указывает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных.
• Поле Идентификатор пакета (IDENTIFICATION) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.
• Поле Флаги (FLAGS) занимает 3 бита, оно указывает на возможность фрагментации пакета (установленный бит Do not Fragment - DF - запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет), а также на то, является ли данный пакет промежуточным или последним фрагментом исходного пакета (установленный бит More Fragments - MF - говорит о том пакет переносит промежуточный фрагмент).
• Поле Смещение фрагмента (FRAGMENT OFFSET) занимает 13 бит, оно используется для указания в байтах смещения поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами максимальной длины пакета.
• Поле Время жизни (TIME TO LIVE) занимает 1 байт и указывает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи средствами протокола IP. На шлюзах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается также при каждой транзитной передаче (даже если не прошла секунда). При истечении времени жизни пакет аннулируется.
• Идентификатор Протокола верхнего уровня (PROTOCOL) занимает 1 байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет (например, это могут быть протоколы TCP, UDP или RIP).
• Контрольная сумма (HEADER CHECKSUM) занимает 2 байта, она рассчитывается по всему заголовку.
• Поля Адрес источника (SOURCE IP ADDRESS) и Адрес назначения (DESTINATION IP ADDRESS) имеют одинаковую длину - 32 бита, и одинаковую структуру.
• Поле Резерв (IP OPTIONS) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Резерв должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Максимальная длина поля данных пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65535 байтов, однако при передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байтов, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet.

Управление фрагментацией

Протоколы транспортного уровня (протоколы TCP или UDP), пользующиеся сетевым уровнем для отправки пакетов, считают, что максимальный размер поля данных IP-пакета равен 65535, и поэтому могут передать ему сообщение такой длины для транспортировки через интерсеть. В функции уровня IP входит разбиение слишком длинного для конкретного типа составляющей сети сообщения на более короткие пакеты с созданием соответствующих служебных полей, нужных для последующей сборки фрагментов в исходное сообщение.

В большинстве типов локальных и глобальных сетей определяется такое понятие как максимальный размер поля данных кадра или пакета, в которые должен инкапсулировать свой пакет протокол IP. Эту величину обычно называют максимальной единицей транспортировки - Maximum Transfer Unit, MTU . Сети Ethernet имеют значение MTU, равное 1500 байт, сети FDDI - 4096 байт, а сети Х.25 чаще всего работают с MTU в 128 байт.

Работа протокола IP по фрагментации пакетов в хостах и маршрутизаторах иллюстрируется рисунком 4.1.

Пусть компьютер 1 связан с сетью, имеющей значение MTU в 4096 байтов, например, с сетью FDDI. При поступлении на IP-уровень компьютера 1 сообщения от транспортного уровня размером в 5600 байтов, протокол IP делит его на два IP-пакета, устанавливая в первом пакете признак фрагментации и присваивая пакету уникальный идентификатор, например, 486. В первом пакете величина поля смещения равна 0, а во втором - 2800. Признак фрагментации во втором пакете равен нулю, что показывает, что это последний фрагмент пакета. Общая величина IP-пакета составляет 2800+20 (размер заголовка IP), то есть 2820 байтов, что умещается в поле данных кадра FDDI.

Рис. 4.1. Фрагментация IP-пакетов при передаче между сетями с разными
максимальными размерами пакетов. К1 и Ф1 канальный и физический уровень сети 1,
К2 и Ф2 канальный и физический уровень сети 2

Маршрутизатор видит по сетевому адресу, что прибывшие два пакета нужно передать в сеть 2, которая имеет меньшее значение MTU, равное 1500. Вероятно, это сеть Ethernet. Маршрутизатор извлекает фрагмент транспортного сообщения из каждого пакета FDDI и делит его еще пополам, чтобы каждая часть уместилась в поле данных кадра Ethernet. Затем он формирует новые пакеты IP, каждый из которых имеет длину 1400 + 20 = 1420 байтов, что меньше 1500 байтов, поэтому они нормально помещаются в поле данных кадров Ethernet.

В результате в компьютер 2 по сети Ethernet приходит четыре IP-пакета с общим идентификатором 486, что позволяет протоколу IP, работающему в компьютере 2, правильно собрать исходное сообщение. Если пакеты пришли не в том порядке, в котором были посланы, то смещение укажет правильный порядок их объединения.

Отметим, что IP-маршрутизаторы не собирают фрагменты пакетов в более крупные пакеты, даже если на пути встречается сеть, допускающая такое укрупнение. Это связано с тем, что отдельные фрагменты сообщения могут перемещаться по интерсети по различным маршрутам, поэтому нет гарантии, что все фрагменты проходят через какой-либо промежуточный маршрутизатор на их пути.

При приходе первого фрагмента пакета узел назначения запускает таймер, который определяет максимально допустимое время ожидания прихода остальных фрагментов этого пакета. Если таймер истекает раньше прибытия последнего фрагмента, то все полученные к этому моменту фрагменты пакета отбрасываются, а в узел, пославший исходный пакет, направляется сообщение об ошибке с помощью протокола ICMP.

Маршрутизация с помощью IP-адресов

Рассмотрим теперь принципы, на основании которых в сетях IP происходит выбор маршрута передачи пакета между сетями.

Сначала необходимо обратить внимание на тот факт, что не только маршрутизаторы, но и конечные узлы - компьютеры - должны принимать участие в выборе маршрута. Пример, приведенный на рисунке 4.2, демонстрирует эту необходимость. Здесь в локальной сети имеется несколько маршрутизаторов, и компьютер должен выбирать, какому из них следует отправить пакет.

Рис. 4.2. Выбор маршрутизатора конечным узлом

Длина маршрута может существенно измениться в зависимости от того, какой маршрутизатор выберет компьютер для передачи своего пакета на сервер, расположенный, например, в Германии, если маршрутизатор 1 соединен выделенной линией с маршрутизатором в Копенгагене, а маршрутизатор 2 имеет спутниковый канал, соединяющий его с Токио.

В стеке TCP/IP маршрутизаторы и конечные узлы принимают решения о том, кому передавать пакет для его успешной доставки узлу назначения, на основании так называемых таблиц маршрутизации (routing tables).

Следующая таблица представляет собой типичный пример таблицы маршрутов, использующей IP-адреса сетей:

В этой таблице в столбце "Адрес сети назначения" указываются адреса всех сетей, которым данный маршрутизатор может передавать пакеты. В стеке TCP/IP принят так называемый одношаговый подход к оптимизации маршрута продвижения пакета (next-hop routing) - каждый маршрутизатор и конечный узел принимает участие в выборе только одного шага передачи пакета. Поэтому в каждой строке таблицы маршрутизации указывается не весь маршрут в виде последовательности IP-адресов маршрутизаторов, через которые должен пройти пакет, а только один IP-адрес - адрес следующего маршрутизатора, которому нужно передать пакет. Вместе с пакетом следующему маршрутизатору передается ответственность за выбор следующего шага маршрутизации. Одношаговый подход к маршрутизации означает распределенное решение задачи выбора маршрута. Это снимает ограничение на максимальное количество транзитных маршрутизаторов на пути пакета.

(Альтернативой одношаговому подходу является указание в пакете всей последовательности маршрутизаторов, которые пакет должен пройти на своем пути. Такой подход называется маршрутизацией от источника - Source Routing. В этом случае выбор маршрута производится конечным узлом или первым маршрутизатором на пути пакета, а все остальные маршрутизаторы только отрабатывают выбранный маршрут, осуществляя коммутацию пакетов, то есть передачу их с одного порта на другой. Алгоритм Source Routing применяется в сетях IP только для отладки, когда маршрут задается в поле Резерв (IP OPTIONS) пакета.)

В случае, если в таблице маршрутов имеется более одной строки, соответствующей одному и тому же адресу сети назначения, то при принятии решения о передаче пакета используется та строка, в которой указано наименьшее значение в поле "Расстояние до сети назначения".

При этом под расстоянием понимается любая метрика, используемая в соответствии с заданным в сетевом пакете классом сервиса. Это может быть количество транзитных маршрутизаторов в данном маршруте (количество хопов от hop - прыжок), время прохождения пакета по линиям связи, надежность линий связи, или другая величина, отражающая качество данного маршрута по отношению к конкретному классу сервиса. Если маршрутизатор поддерживает несколько классов сервиса пакетов, то таблица маршрутов составляется и применяется отдельно для каждого вида сервиса (критерия выбора маршрута).

Для отправки пакета следующему маршрутизатору требуется знание его локального адреса, но в стеке TCP/IP в таблицах маршрутизации принято использование только IP-адресов для сохранения их универсального формата, не зависящего от типа сетей, входящих в интерсеть. Для нахождения локального адреса по известному IP-адресу необходимо воспользоваться протоколом ARP.

Конечный узел, как и маршрутизатор, имеет в своем распоряжении таблицу маршрутов унифицированного формата и на основании ее данных принимает решение, какому маршрутизатору нужно передавать пакет для сети N. Решение о том, что этот пакет нужно вообще маршрутизировать, компьютер принимает в том случае, когда он видит, что адрес сети назначения пакета отличается от адреса его собственной сети (каждому компьютеру при конфигурировании администратор присваивает его IP-адрес или несколько IP-адресов, если компьютер одновременно подключен к нескольким сетям). Когда компьютер выбрал следующий маршрутизатор, то он просматривают кэш-таблицу адресов своего протокола ARP и, может быть, находит там соответствие IP-адреса следующего маршрутизатора его MAC-адресу. Если же нет, то по локальной сети передается широковещательный ARP-запрос и локальный адрес извлекается из ARP-ответа.

После этого компьютер формирует кадр протокола, используемого на выбранном порту, например, кадр Ethernet, в который помещает МАС-адрес маршрутизатора. Маршрутизатор принимает кадр Ethernet, извлекает из него пакет IP и просматривает свою таблицу маршрутизации для нахождения следующего маршрутизатора. При этом он выполняет те же действия, что и конечный узел.

Одношаговая маршрутизация обладает еще одним преимуществом - она позволяет сократить объем таблиц маршрутизации в конечных узлах и маршрутизаторах за счет использования в качестве номера сети назначения так называемого маршрута по умолчанию - default, который обычно занимает в таблице маршрутизации последнюю строку. Если в таблице маршрутизации есть такая запись, то все пакеты с номерами сетей, которые отсутствуют в таблице маршрутизации, передаются маршрутизатору, указанному в строке default . Поэтому маршрутизаторы часто хранят в своих таблицах ограниченную информацию о сетях интерсети, пересылая пакеты для остальных сетей в порт и маршрутизатор, используемые по умолчанию. Подразумевается, что маршрутизатор, используемый по умолчанию, передаст пакет на магистральную сеть, а маршрутизаторы, подключенные к магистрали, имеют полную информацию о составе интерсети.

Особенно часто приемом маршрутизации по умолчанию пользуются конечные узлы. Хотя они также в общем случае имеют в своем распоряжении таблицу маршрутизации, ее объем обычно незначителен, так как маршрутизация для компьютера - не основное занятие. Главная роль в маршрутизации пакетов в концепции протокола IP отводится, естественно, маршрутизаторам, которые должны обладать гораздо более полными таблицами маршрутизации, чем конечные узлы. Конечный узел часто вообще работает без таблицы маршрутизации, имея только сведения об IP-адресе маршрутизатора по умолчанию. При наличии одного маршрутизатора в локальной сети этот вариант - единственно возможный для всех конечных узлов. Но даже при наличии нескольких маршрутизаторов в локальной сети, когда проблема их выбора стоит перед конечным узлом, задание маршрута по умолчанию часто используется в компьютерах для сокращения объема их маршрутной таблицы.

Другим способом разгрузки компьютера от необходимости ведения больших таблиц маршрутизации является получение от маршрутизатора сведений о рациональном маршруте для какой-нибудь конкретной сети с помощью протокола ICMP.

Кроме маршрута default, в таблице маршрутизации могут встретиться два типа специальных записей - запись о специфичном для узла маршруте и запись об адресах сетей, непосредственно подключенных к портам маршрутизатора.

Специфичный для узла маршрут содержит вместо номера сети полный IP-адрес, то есть адрес, имеющий ненулевую информацию не только в поле номера сети, но и в поле номера узла. Предполагается, что для такого конечного узла маршрут должен выбираться не так, как для всех остальных узлов сети, к которой он относится. В случае, когда в таблице есть разные записи о продвижении пакетов для всей сети N и ее отдельного узла, имеющего адрес N,D, при поступлении пакета, адресованного узлу N,D, маршрутизатор отдаст предпочтение записи для N,D.

Записи в таблице маршрутизации, относящиеся к сетям, непосредственно подключенным к маршрутизатору, в поле "Расстояние до сети назначения" содержат нули.

Еще одним отличием работы маршрутизатора и конечного узла при выборе маршрута является способ построения таблицы маршрутизации. Если маршрутизаторы обычно автоматически создают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной информацией, то для конечных узлов таблицы маршрутизации создаются, как правило, вручную администраторами, и хранятся в виде постоянных файлов на дисках.

Существуют различные алгоритмы построения таблиц для одношаговой маршрутизации. Их можно разделить на три класса:

• алгоритмы фиксированной маршрутизации,
• алгоритмы простой маршрутизации,
• алгоритмы адаптивной маршрутизации.

Независимо от алгоритма, используемого для построения таблицы маршрутизации, результат их работы имеет единый формат. За счет этого в одной и той же сети различные узлы могут строить таблицы маршрутизации по своим алгоритмам, а затем обмениваться между собой недостающими данными, так как форматы этих таблиц фиксированы. Поэтому маршрутизатор, работающий по алгоритму адаптивной маршрутизации, может снабдить конечный узел, применяющий алгоритм фиксированной маршрутизации, сведениями о пути к сети, о которой конечный узел ничего не знает.

Фиксированная маршрутизация

Этот алгоритм применяется в сетях с простой топологией связей и основан на ручном составлении таблицы маршрутизации администратором сети. Алгоритм часто эффективно работает также для магистралей крупных сетей, так как сама магистраль может иметь простую структуру с очевидными наилучшими путями следования пакетов в подсети, присоединенные к магистрали.

Различают одномаршрутные таблицы, в которых для каждого адресата задан один путь, и многомаршрутные таблицы, определяющие несколько альтернативных путей для каждого адресата. При использовании многомаршрутных таблиц должно быть задано правило выбора одного из них. Чаще всего один путь является основным, а остальные - резервными.

Простая маршрутизация

Алгоритмы простой маршрутизации подразделяются на три подкласса:

• Случайная маршрутизация - пакеты передаются в любом, случайном направлении, кроме исходного.
• Лавинная маршрутизация - пакеты передаются во всех направлениях, кроме исходного (применяется в мостах для пакетов с неизвестным адресом доставки).
• Маршрутизация по предыдущему опыту - таблицы маршрутов составляются на основании данных, содержащихся в проходящих через маршрутизатор пакетах. Именно так работают прозрачные мосты, собирая сведения об адресах узлов, входящих в сегменты сети. Такой способ маршрутизации обладает медленной адаптируемостью к изменениям топологии сети.

Адаптивная маршрутизация

Это основной вид алгоритмов маршрутизации, применяющихся маршрутизаторами в современных сетях со сложной топологией. Адаптивная маршрутизация основана на том, что маршрутизаторы периодически обмениваются специальной топологической информацией об имеющихся в интерсети сетях, а также о связях между маршрутизаторами. Обычно учитывается не только топология связей, но и их пропускная способность и состояние.

Адаптивные протоколы позволяют всем маршрутизаторам собирать информацию о топологии связей в сети, оперативно отрабатывая все изменения конфигурации связей. Эти протоколы имеют распределенный характер, который выражается в том, что в сети отсутствуют какие-либо выделенные маршрутизаторы, которые бы собирали и обобщали топологическую информацию: эта работа распределена между всеми маршрутизаторами.

Пример взаимодействия узлов с использованием протокола IP

Рассмотрим на примере интерсети, приведенной на рисунке 4.3, каким образом происходит взаимодействие компьютеров через маршрутизаторы и доставка пакетов компьютеру назначения.

Рис. 4.3. Пример взаимодействия компьютеров через интерсеть

Пусть в приведенном примере пользователь компьютера cit.dol.ru, находящийся в сети Ethernet с IP-адресом 194.87.23.0 (адрес класса С), хочет взаимодействовать по протоколу FTP с компьютером s1.msk.su, принадлежащем сети Ethernet с IP-адресом 142.06.0.0 (адрес класса В). Компьютер cit.dol.ru имеет IP-адрес 194.87.23.1.17, а компьютер s1.msk.su - IP-адрес 142.06.13.14.

1. Пользователь компьютера cit.dol.ru знает символьное имя компьютера s1.msk.su, но не знает его IP-адреса, поэтому он набирает команду

> ftp s1.msk.su

для организации ftp-сеанса.

В компьютере cit.dol.ru должны быть заданы некоторые параметры для стека TCP/IP, чтобы он мог выполнить поставленную перед ним задачу.

В число этих параметров должны входить собственный IP-адрес, IP-адрес DNS-сервера и IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. Так как к сети Ethernet, к которой относится компьютер cit.dol.ru, подключен только один маршрутизатор, то таблица маршрутизации конечным узлам этой сети не нужна, достаточно знать IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. В данном примере он равен 194.87.23.1.

Так как пользователь в команде ftp не задал IP-адрес узла, с которым он хочет взаимодействовать, то стек TCP/IP должен определить его самостоятельно. Он может сделать запрос к серверу DNS по имеющемуся у него IP-адресу, но обычно каждый компьютер сначала просматривает свою собственную таблицу соответствия символьных имен и IP-адресов. Такая таблица хранится чаще всего в виде текстового файла простой структуры - каждая его строка содержит запись об одном символьном имени и его IP-адресе. В ОС Unix такой файл традиционно носит имя HOSTS.

142.06.13.14 s1.msk.su.

Поэтому разрешение имени выполняется локально, так что протокол IP может теперь формировать IP-пакеты с адресом назначения 142.06.13.14 для взаимодействия с компьютером s1.msk.su.

3. Протокол IP компьютера cit.dol.ru проверяет, нужно ли маршрутизировать пакеты для адреса 142.06.13.14. Так как адрес сети назначения равен 142.06.0.0, а адрес сети, к которой принадлежит компьютер, равен 194.87.23.0, то маршрутизация необходима.

4. Компьютер cit.dol.ru начинает формировать кадр Ethernet для отправки IP-пакета маршрутизатору по умолчанию с IP-адресом 194.87.23.1. Для этого ему нужен МАС-адрес порта маршрутизатора, подключенного к его сети. Этот адрес скорее всего уже находится в кэш-таблице протокола ARP компьютера, если он хотя бы раз за последнее включение обменивался данными с компьютерами других сетей. Пусть этот адрес в нашем примере был найден именно в кэш-памяти. Обозначим его МАС 11 , в соответствии с номером маршрутизатора и его порта.

5. В результате компьютер cit.dol.ru отправляет по локальной сети кадр Ethernet, имеющий следующие поля:

6. Кадр принимается портом 1 маршрутизатора 1 в соответствии с протоколом Ethernet, так как МАС-узел этого порта распознает свой адрес МАС 11 . Протокол Ethernet извлекает из этого кадра IP-пакет и передает его программному обеспечению маршрутизатора, реализующему протокол IP. Протокол IP извлекает из пакета адрес назначения и просматривает записи своей таблицы маршрутизации. Пусть маршрутизатор 1 имеет в своей таблице маршрутизации запись

142.06.0.0 135.12.0.11 2 1,

которая говорит о том, что пакеты для сети 142.06. 0.0 нужно передавать маршрутизатору 135.12.0.11, подключенному к той же сети, что и порт 2 маршрутизатора 1.

7. Маршрутизатор 1 просматривает параметры порта 2 и находит, что он подключен к сети FDDI. Так как сеть FDDI имеет значение максимального транспортируемого блока MTU больше, чем сеть Ethernet, то фрагментация поля данных IP-пакета не требуется. Поэтому маршрутизатор 1 формирует кадр формата FDDI, в котором указывает MAC-адрес порта маршрутизатора 2, который он находит в своей кэш-таблице протокола ARP:

9. Наконец, после того, как пакет поступил в маршрутизатор сети назначения - маршрутизатор 3, появляется возможность передачи этого пакета компьютеру назначения. Маршрутизатор 3 видит, что пакет нужно передать в сеть 142.06.0.0, которая непосредственно подключена к его первому порту. Поэтому он посылает ARP-запрос по сети Ethernet c IP-адресом компьютера s1.msk.su (считаем, что этой информации в его кэше нет), получает ответ, содержащий адрес MAC s1 , и формирует кадр Ethernet, доставляющий IP-пакет по локальной сети адресату.

Структуризация сетей IP с помощью масок

Часто администраторы сетей испытывают неудобства, из-за того, что количество централизовано выделенных им номеров сетей недостаточно для того, чтобы структурировать сеть надлежащим образом, например, разместить все слабо взаимодействующие компьютеры по разным сетям.

В такой ситуации возможны два пути. Первый из них связан с получением от NIC дополнительных номеров сетей. Второй способ, употребляющийся более часто, связан с использованием так называемых масок , которые позволяют разделять одну сеть на несколько сетей.

Маска - это число, двоичная запись которого содержит единицы в тех разрядах, которые должны интерпретироваться как номер сети.

Например, для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:

255.0.0.0 - маска для сети класса А,

255.255.0.0 - маска для сети класса В,

255.255.255.0 - маска для сети класса С.

В масках, которые использует администратор для увеличения числа сетей, количество единиц в последовательности, определяющей границу номера сети, не обязательно должно быть кратным 8, чтобы повторять деление адреса на байты.

Пусть, например, маска имеет значение 255.255.192.0 (11111111 11111111 11000000 00000000). И пусть сеть имеет номер 129.44.0.0 (10000001 00101100 00000000 00000000), из которого видно, что она относится к классу В. После наложения маски на этот адрес число разрядов, интерпретируемых как номер сети, увеличилось с 16 до 18, то есть администратор получил возможность использовать вместо одного, централизованно заданного ему номера сети, четыре:

129.44.0.0 (10000001 00101100 00000000 00000000)

129.44.64.0 (10000001 00101100 01000000 00000000)

129.44.128.0 (10000001 00101100 10000000 00000000)

129.44.192.0 (10000001 00101100 11000000 00000000)

Например, IP-адрес 129.44.141.15 (10000001 00101100 10001101 00001111), который по стандартам IP задает номер сети 129.44.0.0 и номер узла 0.0.141.15, теперь, при использовании маски, будет интерпретироваться как пара:

129.44.128.0 - номер сети, 0.0. 13.15 - номер узла.

Таким образом, установив новое значение маски, можно заставить маршрутизатор по-другому интерпретировать IP-адрес. При этом два дополнительных последних бита номера сети часто интерпретируются как номера подсетей.

Еще один пример. Пусть некоторая сеть относится к классу В и имеет адрес 128.10.0.0 (рисунок 4.4).Этот адрес используется маршрутизатором, соединяющим сеть с остальной частью интерсети. И пусть среди всех станций сети есть станции, слабо взаимодействующие между собой. Их желательно было бы изолировать в разных сетях. Для этого сеть можно разделить на две сети, подключив их к соответствующим портам маршрутизатора, и задать для этих портов в качестве маски, например, число 255.255.255.0, то есть организовать внутри исходной сети с централизовано заданным номером две подсети класса C (можно было бы выбрать и другой размер для поля адреса подсети). Извне сеть по-прежнему будет выглядеть, как единая сеть класса В, а на местном уровне это будут две отдельные сети класса С. Приходящий общий трафик будет разделяться местным маршрутизатором между подсетями.

Рис. 4.4. Пример использования масок для структурирования сети

Необходимо заметить, что, если принимается решение об использовании механизма масок, то соответствующим образом должны быть сконфигурированы и маршрутизаторы, и компьютеры сети.

Интернет - это совокупность тысяч компьютеров, объединенных в сети, которые, в свою очередь , соединены между собой посредством маршрутизаторов.

Сеть Интернет имеет иерархическую структуру. Этот подход является эффективным, потому что позволяет идентифицировать компоненты Интернета посредством адресов, также имеющих иерархическую структуру. Старшие биты адреса идентифицируют сеть , в которой находится рабочая станция , а младшие - расположение рабочей станции в этой сети.

Подавляющее большинство сетей сейчас использует протокол IPv4 (интернет-протокол версии 4) , хотя уже разработана шестая версия протокола IP . Схема адресации протокола IPv4 предусматривает размер адресного поля 32 бита, что дает 2 32 (или 4 294 967 296) потенциальных адресов.

IP - адрес любой рабочей станции состоит из адреса сети и адреса компьютера в этой сети. В архитектуре адресации предусмотрено пять форматов адреса, каждый из которых начинается с одного, двух, трех или четырех битов, идентифицирующих класс сети ( класс А, В, С, D или Е ). Область сетевого идентификатора ( Network ID ) определяет конкретную сеть в классе, а область Host ID идентифицирует конкретный компьютер в сети, а именно:

• адреса класса А идентифицируются начальным битом 0 . Следующие семь битов определяют конкретную сеть (число возможных значений - 128, или 2 7). Остальные 24 бита определяют конкретный компьютер в сети, при возможном количестве компьютеров 16 777 216 (2 24). Адреса класса А предназначены для очень крупных сетей с большим количеством рабочих станций;
• адреса класса В идентифицируются начальной двухбитовой двоичной последовательностью 10 . Следующие 14 битов определяют сеть, при возможном количестве сетей 16 384 (2 14). Остальные 16 битов определяют конкретный компьютер, с возможным количеством компьютеров 65 536 (2 16);
• адреса класса С идентифицируются начальной трехбитовой последовательностью 110 . Следующие 21 бит определяют сеть, с возможным количеством сетей 2 097 152. Остальные 8 битов определяют конкретный компьютер в сети, с возможным количеством компьютеров 256 (2 8). Большинство организаций имеют адреса класса С ;
• адреса класса D идентифицируются начальной четырехбитовой последовательностью 1110 . Адреса этого класса предназначены для групповой передачи, и оставшиеся 28 битов определяют групповой адрес;
• адреса класса Е идентифицируются начальной четырехбитовой двоичной последовательностью 1111 . Адреса этого класса зарезервированы для будущего использования.

Рис. 2.1.

Способ, при помощи которого записываются все IP -адреса, называется пунктирной десятичной системой обозначений. Каждое 32-битовое адресное поле разделено на четыре поля в виде ххх.ххх.ххх.ххх , и каждому полю дается десятичное числовое значение от 0 до 255, выраженное в виде одного октета (2 8 = 256, или 0-255). Адреса класса А начинаются с 1 до 127, адреса класса В - с 128 до 191, и адреса класса С - с 192 до 223.

Строго говоря, адрес идентифицирует только сетевой интерфейс рабочей станции, т. е. точку подключения к сети.

IP -адреса распределяются Корпорацией Интернет по присвоению имен и номеров (ICANN) . Класс IP -адреса и, следовательно, количество возможных адресов компьютеров зависит от размеров организации. Организация, которой присвоены номера, может затем переназначить их на основе либо статической, либо динамической адресации. Статическая адресация означает жесткую привязку IP -адреса к конкретному компьютеру. При динамической адресации компьютеру присваивается доступный IP - адрес всякий раз при установлении соединения. Динамическое присвоение IP -адресов обычно осуществляется через маршрутизатор , работающий по протоколу DHCP (протокол динамической конфигурации рабочей станции) . Наоборот, если доступ к поставщику осуществляется по xDSL , поставщик услуг Интернет обычно присваивает пользователю один или более статических IP -адресов.

Как уже отмечалось, протокол IP версии 4 предусматривает размер адресного поля 32 бита, что дает 2 32 (или 4 294 967 296) потенциальных адресов. Однако возрастающая популярность технологии TCP / IP привела к истощению плана нумерации протокола. Дополнительной проблемой является тот факт, что очень большое количество адресов класса А и класса В было выделено крупным организациям, которые в них на самом деле не нуждались, и поскольку фактически использовался только небольшой процент адресов, огромное количество доступных адресов было потеряно.

Протокол IPv6 решает этот вопрос путем расширения адресного поля до 128 битов, обеспечивая тем самым 2 128 потенциальных адресов, что составляет величину 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456.

Протокол IPv6 обладает также дополнительными функциональными возможностями, хотя для их реализации потребуется модернизация существующего сетевого программного обеспечения.

Но вернемся к протоколу IPv4. Компьютер , подключенный к сети Интернет , кроме IP -адреса может идентифицироваться доменным именем. Сеть Интернет разделена на логические области (домены). Адреса в системе имен доменов (DNS) , администрирование которых лежит на ICANN , имеют стандартный вид: последовательность имен, разделенных точками. Домены TLD , которые идентифицируются как суффикс доменного имени, бывают двух типов: обобщенные домены верхнего уровня (net, com, org ) и коды стран (ru, fi, ua ).

Имена доменов гораздо легче запомнить и ввести, но необходимо преобразование для перевода имен доменов в IP -адреса - для того, чтобы разные маршрутизаторы и коммутаторы могли направить информацию в нужный пункт назначения.

2.2. Модель OSI

Функционирование сети Интернет основано на сложном комплексе протоколов, обеспечивающих выполнение различных функций - от непосредственно передачи данных до управления конфигурацией оборудования сети.

Для того, чтобы классифицировать различные протоколы и понять их место в общей структуре технологии межсетевого взаимодействия, удобно воспользоваться так называемым "многоуровневым представлением сетевых протоколов". В рамках такого представления подразумевается, что протоколы более высокого уровня используют функции протоколов более низкого уровня. Классической моделью такого рода является семиуровневая модель взаимодействия открытых систем ( Open Systems Interconnection - OSI ), разработанная ITU -T.

Первый уровень модели - уровень сетевого интерфейса - поддерживает физический процесс переноса информации между устройствами в сети, т. е. объединяет функции двух уровней OSI - физического и звена данных. Второй уровень сетевого интерфейса обеспечивает физическое соединение со средой передачи, обеспечивает разрешение конфликтов , возникающих в процессе организации доступа к среде (например, используя технологию CSMA /CD в сети Ethernet ), упаковывает данные в пакеты. Пакет - это протокольная единица , которая содержит информацию верхних уровней и служебные поля ( аппаратные адреса , порядковые номера, подтверждения и т. д.), необходимые для функционирования протоколов этого уровня.

Сетевой уровень отвечает за передачу информации, упакованной в дейтаграммы ( datagram ), от одного компьютера к другому. Дейтаграмма - это протокольная единица , которой оперируют протоколы семейства TCP / IP . Она содержит адресную информацию, необходимую для переноса дейтаграммы через сеть , а не только в рамках одного звена данных. Понятие дейтаграммы никак не связано с физическими характеристиками сетей и каналов связи, что подчеркивает независимость протоколов TCP / IP от аппаратуры. Основным протоколом, реализующим функции сетевого уровня, является протокол IP . Этот протокол отвечает за маршрутизацию, фрагментацию и сборку дейтаграмм в рабочей станции.

Обмен между сетевыми узлами информацией о состоянии сети, необходимой для формирования оптимальных маршрутов следования дейтаграмм , обеспечивают протоколы маршрутизации - RIP , EGP , BGP , OSPF и др.

Протокол преобразования адресов ( Address Resolution Protocol - ARP ) преобразует IP -адреса в адреса, использующиеся в локальных сетях (например, Ethernet ). На некоторых рисунках, изображающих архитектуру и взаимосвязь протоколов, ARP размещают ниже IP , чтобы показать его тесную взаимосвязь с уровнем сетевого интерфейса.

Протокол контрольных сообщений - ( Internet Control Message Protocol - ICMP ) предоставляет возможность программному обеспечению рабочей станции или маршрутизатора обмениваться информацией о проблемах маршрутизации пакетов с другими устройствами в сети. Протокол ICMP - необходимая часть реализации стека протоколов TCP / IP .

Когда дейтаграмма проходит по сети, она может быть потеряна или искажена. Транспортный уровень решает эту проблему и обеспечивает надежную передачу информации от источника к приемнику. Кроме того, реализации протоколов этого уровня образуют универсальный интерфейс для приложений, дающий доступ к услугам сетевого уровня. Наиболее важными протоколами транспортного уровня являются TCP и UDP .

Конечные пользователи взаимодействуют с компьютером на уровне пользовательских приложений. Разработано множество протоколов, применяемых соответствующими приложениями. Например, приложения передачи файлов используют протокол FTP , веб-приложения - протокол HTTP . Оба протокола, FTP и HTTP , базируются на протоколе TCP . Приложение Telnet обеспечивает подключение удаленных терминалов. Протокол эксплуатационного управления сетью SNMP позволяет управлять конфигурацией оборудования в сети и собирать информацию о его функционировании, в том числе и об аварийных ситуациях. Приложения, созданные для организации речевой связи и видеосвязи, используют протокол RTP для передачи информации, чувствительной к задержкам. Х Window - популярный протокол для подключения к интеллектуальному графическому терминалу. Этот список можно еще продолжить рядом протоколов.

Таким образом, IP -сети используют для передачи информации разнообразные протоколы, причем функции протоколов не зависят от того, какие данные передаются. Иными словами, IP , ARP , ICMP , TCP , UDP и другие элементы стека протоколов TCP / IP предоставляют универсальные средства передачи информации, какой бы природы она ни была ( файл по FTP , веб-страница или аудиоданные).

2.3. Основные протоколы IP-телефонии

2.3.1. Протокол IP версии 4

В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке протоколов TCP/IP применяется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большого количества локальных сетей. Поэтому он хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP организует пакетную передачу информации от узла к узлу IP-сети, не используя процедур установления соединения между источником и приемником информации. Кроме того, Internet Protocol является дейтаграммным протоколом: при передаче информации по протоколу IP каждый пакет передается от узла к узлу и обрабатывается в узлах независимо от других пакетов.

Протокол IP

Основные функции протокола IP

Основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет протокол межсетевого взаимодействия (Internet Protocol, IP) . Он обеспечивает передачу дейтаграмм от отправителя к получателям через объединенную систему компьютерных сетей.

Название данного протокола - Intrenet Protocol - отражает его суть: он должен передавать пакеты между сетями . В каждой очередной сети, лежащей на пути перемещения пакета, протокол IP вызывает средства транспортировки, принятые в этой сети, чтобы с их помощью передать этот пакет на маршрутизатор, ведущий к следующей сети, или непосредственно на узел-получатель.

Протокол IP относится к протоколам без установления соединений. Перед IP не ставится задача надежной доставки сообщений от отправителя к получателю. Протокол IP обрабатывает каждый IP-пакет как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими IP-пакетами. В протоколе IP нет механизмов, обычно применяемых для увеличения достоверности конечных данных: отсутствует квитирование - обмен подтверждениями между отправителем и получателем, нет процедуры упорядочивания, повторных передач или других подобных функций. Если во время продвижения пакета произошла какая-либо ошибка, то протокол IP по своей инициативе ничего не предпринимает для исправления этой ошибки. Например, если на промежуточном маршрутизаторе пакет был отброшен по причине истечения времени жизни или из-за ошибки в контрольной сумме, то модуль IP не пытается заново послать испорченный или потерянный пакет. Все вопросы обеспечения надежности доставки данных по составной сети в стеке TCP/IP решает протокол TCP, работающий непосредственно над протоколом IP. Именно TCP организует повторную передачу пакетов, когда в этом возникает необходимость.

Важной особенностью протокола IP, отличающей его от других сетевых протоколов (например, от сетевого протокола IPX), является его способность выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между сетями с различными, максимально допустимыми значениями поля данных кадров MTU. Свойство фрагментации во многом способствовало тому, что протокол IP смог занять доминирующие позиции в сложных составных сетях.

Имеется прямая связь между функциональной сложностью протокола и сложностью заголовка пакетов, которые этот протокол использует. Это объясняется тем, что основные служебные данные, на основании которых протокол выполняет то или иное действие, переносятся между двумя модулями, реализующими этот протокол на разных машинах, именно в полях заголовков пакетов. Поэтому очень полезно изучить назначение каждого поля заголовка IP-пакета, и это изучение дает не только формальные знания о структуре пакета, но и объясняет все основные режимы работы протокола по обработке и передаче IP-дейтаграмм.

Структура IP-пакета

IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Заголовок, как правило, имеющий длину 20 байт, имеет следующую структуру (рис. 14.1).

Рис. 1. Структура заголовка IP-пакета

Поле Номер версии (Version) , занимающее 4 бит, указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 (IPv4), и готовится переход на версию 6 (IPv6).

Поле Длина заголовка (IHL) IP-пакета занимает 4 бит и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт в поле Опции (IP Options) . Наибольший заголовок занимает 60 октетов.

Поле Тип сервиса (Type of Service) занимает один байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (Precedence) . Приоритет может иметь значения от самого низкого - 0 (нормальный пакет) до самого высокого - 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Реально выбор осуществляется между тремя альтернативами: малой задержкой, высокой достоверностью и высокой пропускной способностью. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит Т - для максимизации пропускной способности, а бит R - для максимизации надежности доставки. Во многих сетях улучшение одного из этих параметров связано с ухудшением другого, кроме того, обработка каждого из них требует дополнительных вычислительных затрат. Поэтому редко, когда имеет смысл устанавливать одновременно хотя бы два из этих трех критериев выбора маршрута. Зарезервированные биты имеют нулевое значение.

Поле Общая длина (Total Length) занимает 2 байта и означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65 535 байт, однако в большинстве хост-компьютеров и сетей столь большие пакеты не используются. При передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байт, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet. В стандарте предусматривается, что все хосты должны быть готовы принимать пакеты вплоть до 576 байт длиной (приходят ли они целиком или по фрагментам). Хостам рекомендуется отправлять пакеты размером более чем 576 байт, только если они уверены, что принимающий хост или промежуточная сеть готовы обслуживать пакеты такого размера.

Поле Идентификатор пакета (Identification) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле Флаги (Flags) занимает 3 бита и содержит признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит DF (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит MF (More Fragments) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не последним) фрагментом. Оставшийся бит зарезервирован.

Поле Смещение фрагмента (Fragment Offset) занимает 13 бит и задает смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами MTU. Смещение должно быть кратно 8 байт.

Поле Время жизни (Time to Live) занимает один байт и означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи. На маршрутизаторах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается и в том случае, когда время задержки меньше секунды. Поскольку современные маршрутизаторы редко обрабатывают пакет дольше, чем за одну секунду, то время жизни можно считать равным максимальному числу узлов, которые разрешено пройти данному пакету до того сак он достигнет места назначения. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как пакет достигнет получателя, этот пакет будет уничтожен. Время жизни можно рассматривать как часовой механизм самоуничтожения. Значение этого поля изменяется при обработке заголовка IP-пакета.

Идентификатор Протокол верхнего уровня (Protocol) занимает один байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещения в поле данных пакета (например, это могут быть сегменты протокола TCP (дейтаграммы UDP, пакеты ICMP или OSPF). Значения идентификаторов для различных протоколов приводятся в документе RFC “Assigned Numbers”.

Контрольная сумма (Header Checksum) занимает 2 байта и рассчитывается только по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое значение в процессе передачи пакета по сети (например, время жизни), контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой обработке IP-заголовка. Контрольная сумма - 16 бит - подсчитывается как дополнение к сумме всех 16-битовых слов заголовка. При вычислении контрольной суммы значение самого поля “контрольная сумма” устанавливается в нуль. Если контрольная сумма неверна, о пакет будет отброшен, как только ошибка будет обнаружена.

Поля IP-адрес источника (Source IP Address) и IP-адрес назначения (Destination Address) имеют одинаковую длину - 32 бита - и одинаковую структуру.

Поле Опции (IP Options) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Механизм опций предоставляет функции управления, которые необходимы или просто полезны при определенных ситуациях, однако он не нужен при обычных коммуникациях. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Опции должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Поле Выравнивание (Padding) используется для того, чтобы убедиться в том, то IP-заголовок заканчивается на 32-битной границе. Выравнивание осуществляется нулями.

Ниже приведена распечатка значений полей заголовка одного из реальных IP-пакетов, захваченных в сети Ethernet средствами анализатора протоколов Microsoft Network Monitor.

IP: Version = 4 (0х4)

IP: Header Length = 20 (0х14)

IP: Service Type = 0 (0х0)

IP: Precedence = Routine

IP: ...0.... = Normal Delay

IP: ....0... = Normal Throughput

IP: .....0.. = Normal Reliability

IP: Total Length = 54 (0х36)

IP: Identification = 31746 (0x7C02)

IP: Flags Summary = 2 (0х2)

IP: .......0 = Last fragment in datagram

IP: ......1. = Cannot fragment datagram

IP: Fragment Offset = 0 (0х0) bytes