АДРЕСАЦІЯ КОМП'ЮТЕРІВ

Адресація комп'ютерів.

На відміну від фізичних MAC–адрес, формат яких залежить від конкретної мережної архітектури, IP–адреса будь–якого вузла мережі є чотирибайтовим числом. Записуються IP–адреси чотирма числами в діапазоні від 0 до 255, які представляються в двійковій, вісімковій, десятковій або шістнадцятковій системах числення та розділяються крапками (наприклад 192.168.40.250). Для більш ефективного використання єдиного адресного простору Internet введено класи мереж:

Мережі класу A ( 1–126) мають 0 в старшому біті адрес. На мережну адресу відводиться 7 молодших бітів першого байта, на гост–частину – 3 байти. Таких мереж може бути 126 з 16 мільйонами вузлів у кожній.
Мережі класу B (128–191) мають 10 у двох старших бітах адрес. На мережну адресу відводиться 6 молодших бітів першого байта та другий байт, на гост–частину – 2 байти. Таких мереж може бути близько 16 тисяч з 65 тисячами вузлів в кожній.
Мережі класу C (192–223) мають 110 у трьох старших бітах адрес. На мережну адресу відводиться 5 молодших бітів першого байта та другий і третій байт, на гост–частину – 1 байт. Таких мереж може бути близько 2 мільйонів з 254 вузлами в кожній.
Мережі класу D (224–239) мають 1110 у чотирьох старших бітах адрес. Решта біт є спеціальною груповою адресою. Адреси класу D використовуються у процесі звернення до груп комп'ютерів.
Мережі класу E (240–255) зарезервовані на майбутнє.

Для зменшення трафіка в мережах з великою кількістю вузлів застосовується розділення вузлів за підмережами потрібного розміру. Адреса підмережі використовує кілька старших бітів гост–частини IP–адреси, решта молодших бітів – нульові. В цілому IP–адреса складається з адреси мережі, підмережі та локальної гост–адреси, яка є унікальною для кожного вузла. Для виділення номерів мережі, підмережі та госта (вузла) використовується маска підмережі – бітовий шаблон, в якому бітам, що використовуються для адреси підмережі, присвоюються значення 1, а бітам адреси вузла – значення 0. Розглянемо адресу 192.168.40.252 та значення маски 255.255.255.0. У цьому випадку маємо адресу підмережі 192.168.40 та адресу госта – 252. При цьому всі гости підмережі 192.168.40 мають встановити ту ж саму маску підмережі. Отже, мережа 192.168 може мати 256 підмереж з 254 вузлами в кожній. Використання ж маски 255.255.255.192 дасть змогу мати 1024 підмережі з 60 вузлами в кожній.
Комбінації всіх нулів або всіх одиниць у мережній, підмережній або гост–частині зарезервовані для загальних (broadcast) повідомлень та службових цілей. Наприклад, адреса 192.168.40.255 використовується для загального повідомлення всім вузлам підмережі 192.168.40. Кожен xост може мати не тільки IP–адресу, але й ім'я (Host name). Як і цифрові IP–адреси, імена вузлів діляться на частини, що розділяються крапками. Починають запис від імені комп'ютера, далі йдуть імена локальних доменів (груп комп'ютерів) і закінчується ім'я вказанням імен вищих доменів (організаційних та територіальних). Список цих імен зберігається в спеціальній базі даних доменів служби імен DNS (Domain Name System).

Наприклад, ім'я blues.franko.lviv.ua відповідає серверу з іменем Blues у домені franko.lviv.ua комп'ютерів кампусної мережі Львівського державного університету ім. І.Франка. Звертаючись до вузла, з однаковим успіхом можна використати як IP–адресу, так і його ім'я.

Стек TCP/IP

Маршрутизація в IP–мережах

Термін маршрутизація (routing) означає передавання дейтаграм від одного вузла іншому. "Пряма" маршрутизація (direct routing) здійснюється між вузлами однієї підмережі. В цьому випадку вузол–відправник знає конкретну фізичну адресу отримувача й інкапсулює IP–дейтаграму у відповідний фрейм мережі. "Непряма" маршрутизація (indirect routing) означає передавання дейтаграм між вузлами різних (під)мереж, що здійснюється маршрутизатром. Виявивши розходження немаскованої (мережної) частини IP–адрес, вузол–відправник направляє фрейм з IP–дейтаграмою за фізичною адресою маршрутизатора.

Маршрутизатор (спеціалізований пристрій або комп’ютер) зберігає таблиці маршрутизації за допомогою яких, якщо відома адреса призначення пакета, можна визначити адресу іншого маршрутизатора або іншої (під)мережі. Після аналізу IP–адреси отримувача маршрутизатор направляє дейтаграму в одну з безпосередньо під'єднаних до нього (під)мереж, або ж – наступному маршрутизатору. Для забезпечення міжмережного обміну всі вузли мережі (зокрема і маршрутизатори) повинні мати списки IP–адрес доступних маршрутизаторів.
Розташовані на межі локальної (кампусної) та глобальної мереж маршрутизатори називають граничними (Border Gateway). Його таблиці маршрутизації містять інформацію як про внутрішні, так і про зовнішні мережі. Використання граничних маршрутизаторів дає змогу зменшити розміри таблиць внутрішніх маршрутизаторів та підвищити ефективність їхньої роботи. Протоколи маршрутизації бувають статичними та динамічними. У статичних протоколах зміни в таблицях маршрутизації робить адміністратор мережі, у динамічних цей процес відбувається автоматично.

Ще однією новою проблемою, яку треба враховувати при об'єднанні трьох і більше комп'ютерів, є проблема їх адресації.

До адреси вузла мережі і схемі її призначення можна пред'явити декілька вимог.

1. Адреса повинна унікально ідентифікувати комп'ютер у мережі будь-якого масштабу.

2. Схема призначення адрес повинна зводити до мінімума ручну працю адміністратора та ймовірність дублювання адрес.

3. Адреса повинна мати їєрархічну структуру, зручну для побудування великих мереж. Цю проблему добре ілюструють міжнародні поштові адреси, які дозволяють поштовій службі, яка організує доставку листів між країнами, користуватися тільки назвою країни адресату і не враховувати назву його міста , а тим більш вулиці. У великих мережах, що складаються з багатьох тисяч вузлів, відсутність ієрархії адреси може привести до значних витрат - кінцевим вузлам і комунікаційному обладнанню прийдеться оперувати із таблицями адрес, які складаються з тисяч записів.

4. Адреса повинна бути зручною для користувачів мережі, а це значить, що вона повинна мати символьне представлення наприклад, Server3 або www.cisco.com.

5. Адреса повинна мати по можливості компактне зображення, щоб не перевантажувати пам'ять комунікаційної апаратури - мережних адаптерів, маршрутизаторів і т. ін.

Так як всі перелічені вимоги важко поєднати у рамках однієї схеми адресації, то на практиці звичайно використовуються водночас декілька схем адресації, так що комп'ютер одночасно має декілька адрес-імен. Кожна адреса використовується у тій ситуації, коли відповідний вид адресації найзручніший. А щоб не виникало путанини і комп'ютер завжди однозначно визначався своєю адресою, використовуються спеціальні допоміжні протоколи, які по адресі одного типу визначають адреси інших типів. Найбільшого розповсюдження отримали три схеми адресації вузлів.

Класи IP-адрес

IP-адреса має довжину 4 байти й звичайно записується у вигляді чотирьох чисел, що представляють значення кожного байта в десятковій формі й розділених точками, наприклад, 128.10.2.30 - традиційна десяткова форма представлення адреси, а 10000000 00001010 00000010 00011110 - двійкова форма представлення цієї ж адреси. Адреса складається із двох логічних частин — номера мережі й номери вузла в мережі. Яка частина адреси відноситься до номера мережі, а яка — до номера вузла, визначається значеннями перших біт адреси. Значення цих біт є також ознаками того, до якого класу відноситься та або інша IP-адреса. Якщо адреса починається з 0, то мережу відносять до класу А і номер мережі займає один байт, інші 3 байти інтерпретуються як номер вузла в мережі. Мережі класу А мають номери в діапазоні від 1 до 126. (Номер 0 не використовується, а номер 127 зарезервований для спеціальних цілей, про що буде сказано нижче.) Мереж класу А небагато, зате кількість вузлів у них може досягати 224, тобто 16 777 216 вузлів. Якщо перші два біти адреси є 10, то мережа відноситься до класу В. У мережах класу В під номер мережі й під номер вузла виділяється по 16 біт, тобто по 2 байти. Таким чином, мережа класу В є мережею середніх розмірів з максимальним числом вузлів 216, що становить 65 536 вузлів. Якщо адреса починається з послідовності 110, то це мережа класу С. У цьому випадку під номер мережі приділяється 24 битка, а під номер вузла — 8 біт. Мережі цього класу найпоширеніші, число вузлів у них обмежено 28, тобто 256 вузлами. Якщо адреса починається з послідовності 1110, то вона є адресою класу D і позначає особливу, групову адресу — multicast. Якщо в пакеті як адреса призначення зазначена адреса класу D, то такий пакет повинні отримати всі вузли, яким привласнена дана адреса. Якщо адреса починається з послідовності 11110, то це значить, що дана адреса відноситься до класу Е. Адреси цього класу зарезервовані для майбутніх застосувань.

Схеми адресації вузлів

Апаратна адреса(hardware). Ці адреси призначені для мережі невеликого або середнього розміру, тому вони не мають ієрархічної структури. Така адреса звичайно використовується тільки апаратурою, наприклад, у мережні адаптери вбудовують шестибайтну, так звану МАС-адресу, під час виготовлення. При установці у комп'ютер декількох адаптерів, він матиме декілька апаратних адрес. Отже апаратна адреса адресує певний інтерфейс підключення до мережі, яка змінюється при заміні мережного адаптера.

Символьні адреси або імена. Ці адреси призначені для запам'ятовування людьми і тому звичайно несуть змістове навантаження. Символьні імена легко використовувати як у невеликих, так і у великих мережах. Для роботи у великих мережах символьне ім'я може мати складну ієрархічну структуру, напрклад, www.cisco.com.

Числові адреси(складені). Символьні імена зручні для людей, але з-за змінного формату і потенціально великої довжини їх передача по мережі не дуже економна. Тому у багатьох випадках для роботи у великих мережах в якості адрес вузлів використовують числові складені адреси фіксованого і компактного форматів. Типовими представниками адрес цього типу є ІР- та ІРХ-адреси. В них підтримується двохрівнева ієрархія, адреса поділяється на старшу частину - номер мережі та молодшу - номер вузла. Такий поділ дозволяє передавати повідомлення між мережами тільки на підставі номера мережі, а номер вузла використовується тільки після доставки повідомлення у потрібну мережу. В останній час, щоб зробити маршрутизацію у крупних мережах більш ефективною, пропонується більш складні варіанти числової адресації, у відповідності з якими адреса має три і більше складових. Такий підхід реалізований у новій версії протоколу IPv6, призначеного для роботи у мережі Internet.

У сучасних мережах для адресації вузлів застосовуються, як правило, одночасно всі три схеми адресації. Користувачі адресують комп'ютери символьними іменами, які автоматично замінюються у повідомленнях, що передаються по мережі, на числові номери. За допомогою цих числових номерів повідомлення передаються з однієї мережі до іншої, а після доставки повідомлення у мережу призначення замість числового номера використовується апаратна адреса комп'ютера. Сьогодні така схема характерна даже для невеликих автономних мереж, де, здавалося б, вона явно зайва - це робиться для того, щоб при під'єднанні цієї мережі до великої мережі не треба було б змінювати склад операційної системи.

Використання масок в IP-адресації

Традиційна схема ділення IP-адреси на номер мережі й номер вузла засновано на понятті класу, що визначається значеннями декількох перших біт адреси. Саме тому, що перший байт адреси 185.23.44.206 потрапляє в діапазон 128-191, ми можемо сказати, що ця адреса відноситься до класу В, а значить, номером мережі є перші два байти, доповнені двома нульовими байтами - 185.23.0.0, а номером вузла - 0.0.44.206.

А що якщо використати яку-небудь іншу ознаку, за допомогою якого можна було б більш гнучко встановлювати границю між номером мережі й номером вузла? Як такі ознаки зараз одержали широке поширення маски. Маска — це число, що використовується в парі з IP-адресою; двійковий запис маски містить одиниці в тих розрядах, які повинні в IP-адресі інтерпретуватися як номер мережі. Оскільки номер мережі є цільною частиною адреси, одиниці в масці також повинні становити безперервну послідовність. Для стандартних класів мереж маски мають наступні значення:

клас А - 11111111. 00000000. 00000000. 00000000 (255.0.0.0);
клас В - 11111111. 11111111. 00000000. 00000000 (255.255.0.0);
клас С- 11111111.11111111.11111111.00000000(255.255.255.0).

Для запису масок використовуються й інші формати, наприклад, зручно інтерпретувати значення маски, записаної в шістнадцятковому коді: FF.FF.00.00 - маска для адрес класу В. Часто зустрічається й таке позначення 185.23.44.206/16 - цей запис говорить про те, що маска для цієї адреси містить 16 одиниць або що в указаній IP-адресі під номер мережі відведено 16 двійкових розрядів.

Позначаючи кожну IP-адресу маскою, можна відмовитися від понять класів адрес і зробити гнучкішою систему адресації. Наприклад, якщо розглянуту вище адресу 185.23.44.206 асоціювати з маскою 255.255.255.0, то номером мережі буде 185.23.44.0, а не 185.23.0.0, як це визначено системою класів.

У масках кількість одиниць у послідовності, що визначає границю номера мережі, не обов'язково повинне бути кратним 8, щоб повторювати розподіл адреси на байти. Нехай, наприклад, для IP-адреси 129.64.134.5 зазначено маску 255.255.128.0, тобто у двійковому виді: ІP-адреса 129.64.134.5 - 10000001. 01000000.10000110. 00000101 Маска 255.255.128.0- 11111111.11111111.10000000.00000000

Якщо ігнорувати маску, то відповідно до системи класів адреса 129.64.134.5 відноситься до класу В, а виходить, номером мережі є перші 2 байти - 129.64.0.0, а номером вузла - 0.0.134.5.

Якщо ж використовувати для визначення границі номера мережі маску, то 17 послідовних одиниць у масці, «накладені» на IP-адресу, визначають як номер мережі у двійковому представленні число:

10000001. 01000000. 10000000. 00000000 або в десятковій формі запису - номер мережі 129.64.128.0, а номер вузла 0.0.6.5.

Механізм масок широко розповсюджений в IP-маршрутизації, причому маски можуть використовуватися для самих різних цілей. З їхньою допомогою адміністратор може структурувати свою мережу, не жадаючи від постачальника послуг додаткових номерів мереж. На основі цього ж механізму постачальники послуг можуть поєднувати адресні простори декількох мереж шляхом введення так званих «префіксів» з метою зменшення обсягу таблиць маршрутизації й підвищення за рахунок цього продуктивності маршрутизаторів.

Автоматизація процесу призначення IP-адрес

Призначення IP-адрес вузлам мережі навіть при не дуже великому розмірі мережі може представляти для адміністратора стомлюючу процедуру. Протокол Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) звільняє адміністратора від цих проблем, автоматизуючи процес призначення IP-адрес.

DHCP може підтримувати спосіб автоматичного динамічного розподілу адрес, а також простіші способи ручного й автоматичного статичного призначення адрес. Протокол DHCP працює відповідно до моделі клієнт-сервер. Під час старту системи комп'ютер, що є DHCP-клієнтом, посилає в мережу широкомовний запит на одержання IP-адреси. DHCP-cepвер відгукується й посилає повідомлення-відповідь, що містить IP-адресу. Припускається, що DHCP-клієнт й DHCP-сервер знаходяться в одній IP-мережі.

При динамічному розподілі адрес DHCP-сервер видає адресу клієнту на обмежений час, який називається часом оренди (lease duration), що дає можливість згодом повторно використати цю IP-адресу для призначення іншому комп'ютеру. Основна перевага DHCP - автоматизація рутинної роботи адміністратора по конфігуруванню стека TCP/IP на кожному комп'ютері. Іноді динамічний розподіл адрес дозволяє будувати IP-мережу, кількість вузлів у якій перевищує кількість наявних у розпорядженні адміністратора IP-адрес.

У ручній процедурі призначення статичних адрес активну участь приймає адміністратор, що надає DHCP-серверу інформацію про відповідність IP-адрес фізичним адресам або іншим ідентифікаторам клієнтів. DHCP-сервер, користуючись цією інформацією, завжди видає певному клієнту призначену адміністратором адресу.

При автоматичному статичному способі DHCP-сервер присвоює IP-адресу з пулу наявних IP-адрес без втручання оператора. Границі пулу призначуваних адрес задає адміністратор при конфігуруванні DHCP-сервера. Адреса дається клієнту з пула в постійне користування, тобто з необмеженим строком оренди. Між ідентифікатором клієнта і його IP-адресою як і раніше при ручному призначенні, існує постійна відповідність. Вона встановлюється в момент першого призначення DHCP-сервером IP-адреси клієнту. При всіх наступних запитах сервер повертає ту ж саму IP-адресу.

DHCP забезпечує надійний і простий спосіб конфігурації мережі TCP/IP, гарантуючи відсутність дублювання адрес за рахунок централізованого управління їхнім розподілом. Адміністратор управляє процесом призначення адрес за допомогою параметра «тривалість оренди», що визначає, як довго комп'ютер може використовувати призначену IP-адресу, перед тим як знову запросити її від DHCP-сервера в оренду.

Прикладом роботи протоколу DHCP може служити ситуація, коли комп'ютер, що є DHCP-клієнтом, видаляється з підмережі. При цьому призначена йому IP-адреса автоматично звільняється. Коли комп'ютер підключається до іншої підмережі, то йому автоматично призначається нова адреса. Ні користувач, ні мережевий адміністратор не втручаються в цей процес. Ця властивість дуже важлива для мобільних користувачів.

DHCP-сервер може призначити клієнту не тільки IP-адресу клієнта, але й інші параметри стека TCP/IP, необхідні для його ефективної роботи, наприклад, маску, IP-адресу маршрутизатора за замовчуванням, IP-адресу сервера DNS, доменне ім'я комп'ютера й т.п.

Висновки

У стеці TCP/IP використовуються три типи адрес: локальні (які також називаються апаратними), IP-адреси й символьні доменні імена. Всі ці типи адрес присвоюються вузлам складеної мережі незалежно один від іншого.

IP-адреса має довжину 4 байти й складається з номера мережі й номера вузла. Для визначення межі, що відокремлює номер мережі від номера вузла, реалізуються два підходи. Перший заснований на понятті класу адреси, другий - на використанні масок.

Клас адреси визначається значеннями декількох перших біт адреси. В адресах класу А для номеру мережі виділяється один байт, а інші три байти - для номеру вузла, тому вони використовуються в більших мережах. Для невеликих мереж ліпше підходять адреси класу С, у яких номер мережі займає три байти, а для нумерації вузлів може бути використаний тільки один байт. Проміжне місце займають адреси класу В.

Інший спосіб визначення того яка частина адреси є номером мережі, а яка номером вузла, заснований на використанні маски. Маска - це число, що використовується в парі з IP-адресою; двійковий запис маски містить одиниці в тих розрядах, які в IP-адресі повинні інтерпретуватися як номер мережі.