На­стройка IР-адресации и маршрутизации

Рассмотрим, что такое IР-адрес и маска подсети, чтобы выяснить, как оба этих параметра используются для определения локаль­ных или удаленных IР-сетей, и на конкретных при­мерах ознакомиться с тем, как компьютеры и марш­рутизаторы доставляют IР-пакеты из одной сети в другую.

Основы IР-адресации

Первым обязательным параметром в свойствах про­токола ТСР/IР любого компьютера является его IР-адрес.

IР-адрес — это уникальная 32-разрядная последовательность двоичных цифр, с помощью которой компьютер однозначно идентифицируется в IР-сети.

Рассмотрим наиболее распро­страненную версию протокола IР - IPv4. Одна­ко уже создана следующая версия протокола — IР версии 6 (IРv6), в которой IР-адрес представляется в виде 128-битной последовательности двоичных цифр. Эта версия протокола IР пока еще не получи­ла широкого распространения, хотя и поддержива­ется многими современными маршрутизаторами и операционными системами.

Для удобства работы с IР-адресами 32-разрядную последовательность обычно разделяют на 4 части по 8 битов (на октеты), каждый октет переводят в десятичное число и при записи разделяют эти чис­ла точками

Однако одного только IР-адреса компьютеру для работы в сети ТСР/IР недостаточно. Вторым обязательным параметром, без которого прото­кол ТСР/IР работать не будет, является маска подсети.

Маска подсети — это 32-разрядное число, состоя­щее из идущих вначале единиц, а затем — нулей, например (в десятичном представлении)

255.255.255.0 или 255.255.240.0.

Маска подсети играет исключительно важную роль в IР-адресации и маршрутизации. Чтобы по­нять значение этого параметра, вспомним, что сеть ARPANet строилась как набор соединенных друг с другом сетей. Для правильного взаи­модействия в такой сложной сети каждый участник должен уметь определять, какие IР-адреса принад­лежат его локальной сети, а какие — удаленным се­тям.

Здесь и используется маска подсети, с помощью которой производится разделение любого IР-адреса на две части: идентификатор сети (Net ID) и иден­тификатор узла (Host ID).

Такое разделение дела­ется очень просто: там, где в маске подсети стоят единицы, находится идентификатор сети, а где сто­ят нули — идентификатор узла.

Например, в IР-адресе 192.168.5.200 при ис­пользовании маски подсети 255.255.255.0 иден­тификатором сети будет число 192.168.5.0, а идентификатором узла — число 200. Стоит нам по­менять маску подсети, скажем, на число 255.255.0.0, как и идентификатор узла, и иден­тификатор сети изменятся на 192.168.0.0 и 5.200, соответственно, и от этого, как мы дальше увидим, иначе будет вести себя компьютер при посылке IР-пакетов.

Правила назначения IР-адресов сетей и узлов

1) идентификатор сети не может содержать только двоичные нули или только единицы. Например, адрес 0.0.0.0 не может являться идентифика­тором сети;

2) идентификатор узла также не может содержать только двоичные нули или только единицы — такие адреса зарезервированы для специальных целей:

· все нули в идентификаторе узла означают, что этот адрес является адресом сети. Напри­мер, 192.168.5.0 является правильным ад­ресом сети при использовании маски 255.255.255.0 и его нельзя использовать для адресации компьютеров,

· все единицы в идентификаторе узла означа­ют, что этот адрес является адресом широко­вещания для данной сети. Например, 192.168.5.255 является адресом широкове­щания в сети 192.168.5.0 при использова­нии маски 255.255.255.0 и его нельзя использовать для адресации компьютеров;

3) идентификатор узла в пределах одной и той же подсети должен быть уникальным;

4) диапазон адресов от 127.0.0.1 до 127.255.255.254 нельзя использовать в качест­ве IР-адресов компьютеров. Вся сеть 127.0.0.0 по маске 255.0.0.0 зарезервирована под так на­зываемый «адрес заглушки» (lоорbаск), исполь­зуемый в IР для обращения компьютера к само­му себе.

Это легко проверить: достаточно на любом компьютере с установленным протоколом ТСР/IР выполнить команду

PING 127.12.34.56

и, если протокол ТСР/IOР работает, вы увидите, как ваш компьютер будет отвечать на собствен­ные запросы.

Классовая и бесклассовая IР-адресация

Первоначальная система IР-адресации в Интернете выглядела следующим образом. Все пространство возможных IР-адресов (а это более четырех милли­ардов, точнее 4 294 967 296 адресов) было разбито на пять классов, причем принадлежность IР-адреса к определенному классу определялась по несколь­ким битам первого октета (см.табл.).

Классы адресов в первоначальной схеме IР-адресации

Заметим, что для адресации сетей и узлов использовались только классы А, В и С. Кроме того, для этих сетей были определены фиксированные маски подсети по умол­чанию, равные, соответственно, 255.0.0.0, 255.255.0.0 и 255.255.255.0, которые не только жестко определяли диапазон возможных IР-адресов узлов в таких сетях, но и механизм маршрутизации.

Чтобы рассчитать максимально возможное количе­ство узлов в любой IР-сети, достаточно знать, сколь­ко битов содержится в идентификаторе узла, или, иначе, сколько нулей имеется в маске подсети. Это число используется в качестве показателя степени двойки, а затем из результата вычитается два заре­зервированных адреса (сети и широковещания). Аналогичным способом легко вычислить и возмож­ное количество сетей классов А, В или С, если учесть, что первые биты в октете уже зарезервирова­ны, а в классе А нельзя использовать IР-адреса 0.0.0.0 и 127.0.0.0 для адресации сети.

Для получения нужного диапазона IР-адресов организациям предлагалось заполнить регистраци­онную форму, в которой следовало указать текущее число компьютеров и планируемый рост компью­терного парка в течение двух лет.

Первоначально данная схема хорошо работала, поскольку количество сетей было небольшим. Од­нако с развитием Интернета такой подход к распре­делению IР-адресов стал вызывать проблемы, осо­бенно острые для сетей класса В. Действительно, организациям, в которых число компьютеров не превышало нескольких сотен (скажем, 500), при­ходилось регистрировать для себя целую сеть клас­са В. Поэтому количество доступных сетей класса В стало на глазах «таять», но при этом громадные диапазоны IР-адресов (в нашем примере — более 65000) пропадали зря.

Чтобы решить проблему, была разработана бес­классовая схема IР-адресации (Classless InterDomain Routing, CIDR), в которой не только отсутствует при­вязка IР-адреса к классу сети и маске подсети по умолчанию, но и допускается применение так назы­ваемых масок подсети с переменной длиной (Variable Length Subnet Mask, VLSM).

Например, если при вы­делении сети для организации с 500 компьютерами вместо фиксированной маски 255.255.0.0 использовать маску 255.255.254.0, то получившегося диапазона из 512 возможных IР-адресов будет вполне достаточно. Оставшиеся 65 тысяч адресов можно зарезервировать на будущее или раздать другим желающим подключиться к Ин­тернету.

Этот подход позволил гораздо более эффективно выделять организациям нужные им диапазоны IР-адресов, и проблема с нехваткой IР-сетей и адре­сов стала менее острой.

IР-адреса для локальных сетей

Все используемые в Интернете адреса должны регистрироваться в ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers), что га­рантирует их уникальность в масштабе всей плане­ты. Такие адреса называют реальными, или публичными (public) IР-адресами.

Для локальных сетей, не подключенных к Интер­нету, регистрация IР-адресов, естественно, не требу­ется, так что, в принципе, здесь можно использовать любые возможные адреса. Однако, чтобы не допус­кать возможных конфликтов при последующем под­ключении такой сети к Интернету, RFC 1918 реко­мендует применять в локальных сетях только следующие диапазоны так называемых частных (private) IР-адресов (в Интернете эти адреса не суще­ствуют и использовать их там нет возможности):

· 10.0.0.0 — 10.255.255.255;

· 172.16.0.0 — 172.31.255.255;

· 192.168.0.0 — 192.168.255.255.

Основы IР-маршрутизации

Как уже говорилось, чтобы правильно взаимодейст­вовать с другими компьютерами и сетями, каждый компьютер определяет, какие IР-адреса принадле­жат его локальной сети, а какие — удаленным сетям. Если выясняется, что IР-адрес компьютера назначения принадлежит локальной сети, пакет по­сылается непосредственно компьютеру назначения, если же это адрес удаленной сети, то пакет посыла­ется по адресу основного шлюза.

Рассмотрим этот процесс подробнее. Возьмем компьютер со следующими параметрами протоко­ла IР:

· IР-адрес — 192.168.5.200;

· маска подсети — 255.255.255.0;

· основной шлюз — 192.168.5.1.

При запуске протокола IР на компьютере выпол­няется операция логического «И» между его собственными IР-адресом и маской подсети, в результате которой все биты IР-адреса, соответствующие нуле­вым битам маски подсети, также становятся нуле­выми:

· IР-адрес в 32-разрядном виде —

11000000 10101000 00000101 11001000;

· маска подсети —

11111111 11111111 11111111 00000000;

Получаем идентификатор сети —

11000000 10101000 00000101 00000000.

Эта простая операция позволяет компьютеру определить идентификатор собственной сети (в нашем примере — 192.168.5.0).

Теперь предположим, что компьютеру надо от­править IР-пакет по адресу 192.168.5.15. Чтобы решить, как это нужно сделать, компьютер выпол­няет операцию логического «И» с IР-адресом компью­тера назначения и собственной маской подсети. Легко понять, что полученный в результате иденти­фикатор сети назначения будет совпадать с иденти­фикатором собственной сети компьютера-отправителя. Так наш компьютер определит, что компьютер на­значения находится в одной с ним сети, и выполнит следующие операции:

· с помощью протокола ARP будет определен физический МАС-адрес, соответствующий IР-адресу компьютера назначения;

· с помощью протоколов канального и физиче­ского уровня по этому МАС-адресу будет по­слана нужная информация.

Теперь посмотрим, что изменится, если пакет надо отправить по адресу 192.168.10.20. Компью­тер выполнит аналогичную процедуру определения идентификатора сети назначения. В результате бу­дет получен адрес 192.168.10.0, не совпадающий с идентификатором сети компьютера-отправителя. Так будет установлено, что компьютер назначения находится в удаленной сети, и алгоритм действий компьютера-отправителя изменится:

· будет определен МАС-адрес не компьютера назначения, а маршрутизатора;

· с помощью протоколов канального и физиче­ского уровня по этому МАС-адресу на маршру­тизатор будет послана нужная информация.

Несмотря на то, что IР-пакет в этом случае не до­ставляется непосредственно по назначению, прото­кол IР на компьютере-отправителе считает свою за­дачу выполненной. Дальнейшая судьба IР-пакета зависит от правильной настройки маршрутизаторов, объединя­ющих сети 192.168.5.0 и 192.168.10.0.

Пусть мы по ошибке указали для компьютера 192.168.5.200 маску подсети, равную 255.255.0.0. В этом случае при попытке послать пакет по адресу 192.168.10.20 наш компьютер посчитает, что компьютер назначе­ния находится в его собственной сети (ведь иденти­фикаторы сетей при такой маске совпадают!), и бу­дет пытаться отправить пакет самостоятельно.

В итоге этот пакет не попадет в маршрутизатор и не будет доставлен по назначению.

Чтобы понять, как работают маршрутизаторы, давайте сначала проанализируем таблицу маршру­тов, которую выстраивает при загрузке протокола IР обычный компьютер, например, с операционной системой Windows ХР.

Рис. 11.

Как нетрудно видеть, в таблице определено не­сколько маршрутов с разными параметрами. Читать каждую такую запись в таблице маршрутизации нужно следующим образом:

Чтобы доставить пакет в сеть с адресом из поля Сетевой адрес и маской из поля Маска сети, нужно с интерфейса с IР-адресом из поля Интерфейс послать пакет по IР-адресу из поля Адрес шлюза, а «стоимость» такой доставки будет равна числу из поля Метрика.

Отметим, что параметры Сетевой адрес и Мас­ка сети вместе задают диапазон всех разрешенных в данной сети IР-адресов.

Например, 127.0.0.0 и 255.0.0.0, как мы уже говорили, означают лю­бой IР-адрес от 127.0.0.1 до 127.255.255.254. Вспомним также, что IР-адрес 127.0.0.1 называ­ется «адресом заглушки» — посланные по этому ад­ресу пакеты должны обрабатываться самим компь­ютером. Кроме того, маска 255.255.255.255 означает сеть из одного IР-адреса, а комбинация 0.0.0.0 — любой неопределенный адрес или мас­ку подсети.

Тогда первая строка в таблице маршрутизации означает в точности то, что делает компьютер при необходимости послать пакет в удаленную, т. е. не­известную ему из таблицы маршрутизации, сеть — со своего интерфейса пакет посылается на IР-адрес маршрутизатора.

Вторая строка таблицы заставляет компьютер посылать самому себе (и отвечать на них) все паке­ты, отправленные по любому IР-адресу из диапазона 127.0.0.1 — 127.255.255.254.

В третьей строке определено, как посылать паке­ты компьютерам локальной сети (по адресам из диа­пазона 192.168.5.1 — 192.168.5.254). Здесь чет­ко видно, что делать это должен сам компьютер — адресом шлюза является его собственный IР-адрес 192.168.5.200.

Аналогично (пятая, шестая и седьмая строки таблицы) нужно поступать и в случае, когда пакеты направляются по адресу рассылки подсети (192.168.5.255), по адресам многоадресной рас­сылки (224.0.0.0) или по адресу локальной широ­ковещательной рассылки (255.255.255.255).

Четвертая же строка означает, что пакеты, по­сланные по IР-адресу 192.168.5.200 (обратите внимание на маску!), должны обрабатываться са­мим компьютером.

Несколько сложнее будет выглядеть таблица маршрутизации компьютера с двумя сетевыми адаптерами, который мы будем использовать в каче­стве маршрутизатора для объединения двух сегмен­тов небольшой сети.

Рис. 12.

Рис. 13.

Объединение сети с помощью маршрутизатора и таблица маршрутизации компьютера

В этой таблице появилось несколько дополни­тельных строк, обозначающих маршруты в обе сети — 192.168.5.0 и 192.168.10.0. Заметим, что все такие маршруты будут выстроены компью­тером автоматически.

Чтобы после этого наладить обмен IР-пакетами между сетями, нужно выполнить следующие действия:

· включить маршрутизацию на компьютере R1; это можно сделать, например, настроив службу маршрутизации и удаленного досту­па, входящую в состав операционной системы;

· на всех компьютерах в сети N1 параметр Основ­ной шлюз нужно установить равным IР-адресу интерфейса маршрутизатора, подключенного к этой сети, т.е. равным 192.168.5.1, а на компьютерах в сети N2 — равным 192.168.10.1.

Таким образом, маршрутизатор — это программно-аппаратное устройство с несколькими сетевыми ин­терфейсами, на котором работает служба маршру­тизации.

Усложним нашу сеть, добавив в нее второй марш­рутизатор и сеть N3 с адресом 192.168.15.0.

Рис. Сеть с двумя маршрутизаторам

В такой сети настройка маршрутизации услож­няется. Проблема в том, что, хотя маршрутизатор R1 «знает», как посылать пакеты в сети N1 и N2, маршрута в сеть N3 у него нет. В свою очередь, у маршрутизатора R2 отсутствует маршрут в сеть N1. Значит, обмен IР-пакетами между сетями N1 и N3 будет невозможен.

Решить эту проблему в такой небольшой сети до­вольно просто — надо добавить нужные записи в таблицы маршрутизаторов R1 и R2. Для этого на маршрутизаторе R1 достаточно выполнить команду, предписывающую направлять все пакеты, пред­назначенные для сети 192.168.15.0, по адресу 192.168.10.254 (т.е. второму маршрутизатору, который уже сможет доставить эти пакеты по назна­чению; ключ Р здесь используется, чтобы сделать этот маршрут постоянным):

ROUTE -P ADD 192.168.15.0

MASK 255.255.255.0 192.168.10.254

В качестве IР-адреса маршрутизатора принято вы­бирать либо первый, либо последний из возможных в данной IР-сети адресов.

Аналогичная команда на маршрутизаторе R2 должна выглядеть так:

ROUTE -P ADD 192.168.5.0

MASK 255.255.255.0 192.168.10.1

После этого взаимодействие в нашей сети будет налажено.

В крупных сетях, содержащих большое количе­ство соединенных друг с другом подсетей, вручную прописывать маршруты доставки пакетов на всех маршрутизаторах довольно утомительно. К тому же такие маршруты являются статическими, значит, при каждом изменении конфигурации сети нужно будет проделывать большую работу по перестройке системы IР-маршрутизации.

Чтобы избежать этого, достаточно настроить маршрутизаторы так, чтобы они обменивались друг с другом информацией о маршрутах. Для этого в ло­кальных сетях используют такие протоколы, как RIP (Routing Information Protocol) и OSPF (Open Shortest Path First).

Протокол RIP проще в настрой­ке, чем OSPF, однако для обмена информацией в нем применяются широковещательные сообщения, заметно нагружающие сеть. Поэтому RIP обычно используют в относительно небольших сетях. Про­токол OSPF работает эффективнее, но сложнее на­страивается, поэтому его использование рекоменду­ется для крупных корпоративных сетей.