Изменения в «PspoClasses/080702/04IP»

Сетевой уровень

Организация передачи данных на сетевом уровень предполагает, что компьютеры соединены между собой несколькими средами передачи данных, вообще говоря, совершенно различными. На этом уровне нужно решить две задачи:

1. Однозначно идентифицировать все компьютеры в глобальной сети, чтобы их можно было адресовать и отличать друг от друга.
2. Организовать маршрутизацию данных от одного компьютера к другому через некоторое количество промежуточных узлов.

С развитием концепции глобальной сети на сетевом уровне стека TCP/IP были реализованы возможности по передаче данных из любой сети в любую сеть, независимо от протоколов нижнего уровня. Задачей протокола сетевого уровня IP (Internet Protocol) является обмен между устройствами, которые, вообще говоря, не находятся в одной среде передачи данных. Для этого необходимо определить, во-первых, механизм адресации, чтобы можно было выделить среди множества компьютеров тот, которому предназначены данные, и, во-вторых, механизм маршрутизации, отвечающий за доставку пакетов между различными сетями. Рассмотрим подробнее каждую из этих двух функций протокола IP.

IP-адресация

Адрес устройства в сети, использующий протокол IP версии 4, состоит из четырёх байт, которые обычно записываются как четыре десятичных числа от 0 до 255, разделённые точками. Распределением IP-адресов в масштабах земного шара занимается организация IANA. Эта организация выделяет диапазоны адресов другим организациям, затем эти диапазоны делятся на более мелкие диапазоны и в конце концов присваиваются компьютерным сетям, и внутри сети устройствам присваиваются адреса из присвоенного этой сети диапазона.

Диапазоны IP-адресов организуются так, что у всех компьютеров одной сети первые несколько бит адреса совпадают. Таким образом, IP-адрес можно разделить на две части. Первая из них адресует сеть и одинакова для всех устройств, подключённых к данной среде передачи данных, а вторая -- хост в сети, т. е. конкретное устройство, например компьютер или сетевой принтер. Записывается это следующим образом: после собственно адреса указывается количество бит, адресующих сеть, например 127.0.0.1/8 или 192.168.200.10/24. Количество бит идентификатора хоста (k) позволяет вычислить максимально возможное количество машин в сети: оно равно 2^k-2. Кроме приведённой краткой формой записи маски, существует и другая, когда маску, подобно адресу, записывают в виде четырёх десятичных чисел. При этом равный единице двоичный разряд соответствует адресу сети, а равный нулю --- адресу хоста. Таким образом, краткой записи маски /24 соответствует полная маска 255.255.0.0.

Назначение масок и адресов сети следующее: если адрес сети двух компьютеров совпадает, то они подключены к одной среде передачи данных, и передача между ними является локальной. Если адреса сети назначения отличается от адреса сети отправителя, то речь необходимо определить маршрут следования IP-пакета с данными. Для решения этой задачи существует IP-маршрутизация.

Ранее использовалась несколько иная, классовая, система IP-адресов. В соответствии с ней IP-адреса делятся на четыре класса: A, B, C, D и E. Принадлежность к тому или иному классу определяется следующим образом: рассмотрим IP-адреса как строку битов и выберем те, у которых первый (старший) бит --- 0. Сети с такими адресами являются сетями класса А; их адрес может быть представлен в виде N.H.H.H, где N --- cеть (network), H --- хост (host). Под адрес хоста отводится 3 байта, это означает, что внутри локальной сети может находиться примерно 16 млн компьютеров. Соответственно, адрес сети занимает оставшийся 1 байт. В связи с тем, что адреса класса А имеют 8-разрядный сетевой префикс (т.е. сеть идентифицируется 8 битами), их обозначают записью /8. Cетям класса B (N.N.H.H) соответствуют IP-адреса, начальные биты которых --- 10, сетям класса C (N.N.N.H) --- адреса, начальные биты которых --- 110. Аналогично обозначению сетей класса А, сети классов B, C, D обозначаются /16 и /24.

Сетям класса D соответствуют адреса, начальные биты которых --- 1110. Такие сети используются для для групповой передачи данных. Существуют также сети класса E, их старшие биты --- 1111, это экспериментальные сети.

Рассмотрим примеры IP-адресов с указанием маски сети и их связь с классами сетей: 127.0.0.1/8 --- IP-адрес класса А, 192.168.10.2/24 -- адрес в сети класса С, 10.1.2.15/24 --- адрес в подсети с маской /24 в сети класса А.

Настройка IP-адреса

Для операций с IP-адресами машины в системе Linux можно использовать команду ip addr. Примерный вывод этой команды имеет следующий вид:

# ip addr
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 16436 qdisc noqueue 
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast qlen 1000
    link/ether 08:00:46:43:09:11 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

Как видно из вывода команды ip addr, вся сеть класса А 127.0.0.1/8 по стандарту распределения адресов отведена под локальный сетевой интерфейс, через который данные передаются только в пределах одного компьютера.

Одним из способов задания IP-адреса сетевому интерфейсу является использование команды ip. Выполним команду ip addr add 192.168.200.117/24 dev eth0, после этого введем ip addr, чтобы посмотреть, что получилось.

# ip addr add 192.168.200.117/24 dev eth0
# ip addr
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 16436 qdisc noqueue 
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast qlen 1000
    link/ether 08:00:46:43:09:11 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.200.117/24 scope global eth0

Мы научились вручную настраивать IP-адрес и маску компьютера в сети. В соответствии с маской /24 все компьютеры с адресами 192.168.200.xxx будут считаться принадлежащим нашей же сети, а с другими IP-адресами --- каким-то другим сетям. Однако, мы не указали компьютеру, как следует передавать данные, если их получатель находится в не нашей сети. Для этого нужно рассмотреть IP-маршрутизацию.

Отображение IP-адреса в MAC-адрес

Прежде чем переходить к маршрутизации, рассмотрим вопрос передачи данных в пределах одной сети. В случае, если несколько компьютеров объединены средой передачи данных, то каждое устройство может каждому передавать некоторые данные через интерфейсный уровень, при этом определяющим является не IP-адрес хоста, а его MAC-адрес, обычно закреплённый за сетевой картой. Более того, может случиться, что MAC-адрес может связываться с различными IP-адресами с течением времени, как и IP-адрес может связываться с различными MAC-адресами. Поэтому необходимо выяснить, кому передавать фрейм протокола Ethernet, зная только IP абонента. Для этого, прежде чем начнётся передача полезных данных, следует выяснить, на какой MAC-адрес необходимо отправить данные.

Для хранения данных о том, какому IP соответствуют какие MAС, служат ARP-таблицы. При выполнении команды ip n, то можно увидеть ARP-таблицу с адресами соседей по среде передачи данных. Обычно мы увидим там компьютер с адресом 1 в нашей же сети.

# ip n
dev eth0 lladdr 00:10:dc:63:fc:c0 REACHABLE

Если выполнить команду tcpdump arp, то при начале передачи данных какой-то машине можно увидеть, что происходит в сети. Для сброса ARP-таблицы перед экспериментом следует выполнить команду ip n flush all.

# ip n flush all
# tcpdump arp
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 96 bytes
18:38:02.331053 arp who-has 192.168.200.1 tell vaio.local
18:38:02.331257 arp reply 192.168.200.1 is-at 00:a0:c9:b2:ef:c4 (oui Unknown)
18:38:07.331993 arp who-has vaio.local tell 192.168.200.1
18:38:07.332021 arp reply vaio.local is-at 08:00:46:43:09:11 (oui Unknown)

4 packets captured
4 packets received by filter
0 packets dropped by kernel

Команда tcpdump arp говорит, что мы слушаем протокол ARP, предназначенный для выяснения MAC-адреса по известному IP-адресу. В момент начала передачи данных хосту с адресом 192.168.200.1 произошло следующее:

• Протокол IP установил, что адрес получателя находится в локальной сети, и можно передавать данные непосредственно через среду передачи данных;
• Для выяснения MAC-адреса получателя всем узлам, подключённым к среде передачи данных, посылается eth-фрейм. Он представляет собой широковещательный ARP-запрос, который сообщает всем остальным машинам примерно следующее: "кому принадлежит адрес 192.168.200.1 - отзовитесь".
• Получатели принимают этот eth-фрейм, и хост с IP-адресом 192.168.200.1 сообщает в ответе свой MAC-адрес.
• Инициатор процесса запоминает выясненный IP-адрес в своей ARP-таблице.

Отметим, что сам протокол ARP относится к интерфейсному уровню, поскольку в нем происходит обмен фреймами протокола Ethernet без использования протокола IP.

IP-маршрутизация

Основная задача на сетевом уровне --- организовать маршрутизацию между двумя компьютерами в разных точках земного шара. Для этого требуется пронумеровать все компьютеры уникальными IP-адресами, что практически невозможно. Поэтому все возможные IP-адреса были разделены на две большие группы: внешние (иногда называемые "белыми") и внутренние ("серые"). Последние не являются уникальными и могут назначаться компьютерам локальной сети по желанию администратора. Для них выделены следующие диапазоны адресов: 127.0.0.0/8 для передача только в пределах одного хоста и 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16 и 10.0.0.0/8 для выделения адресов в локальных сетях. При этом каждый маршрутизатор в интернете считает, что компьютеров с такими адресами быть не может. Для связи между компьютерами с внутренними и внешними адресами существует специальный механизм трансляции сетевых адресов, который будет рассмотрен позднее.

Итак, что же будет, если мы захотим переслать по протоколу IP данные машине, подключённой к другой среде передаче данных и имеющей другой адрес сети? Ни одной машине в локальной сети этот пакет пересылаться не должен, вместо этого он должен быть отправлен специальному компьютеру или устройству, называемому IP-маршрутизатором. Поэтому для связи с внешним миром в сети должна быть как минимум одна машина, которая занимаются тем, что перекладывает пакеты с одного своего сетевого интерфейса на другой.

Таким образом, для передачи данных в другие сети необходимо знать адрес как миниму одного маршрутизатора, подключённого к этой же сети. Существуют некие правила, по которым в локальной сети выбираются машины, которым передаются пакеты, не адресованные машинам данной сети. Эти правила и называются маршрутизацией. Простейшим правилом будет выбор для всех внешних адресов единственного маршрутизатора, называющегося маршрутизатором по-умолчанию (default gateway). В общем же случае необходимо написать таблицу, определяющую, какая машина отвечает за пересылку пакетов в Интернет или в другую сеть. У обычных хостов содержимое таблицы ограничивается одним или, реже, несколькими локальными маршрутизаторами.

Для указания маршрутизатора по умолчанию в случае ручной конфигурации интерфейса необходимо указать IP-адрес машины, которая им является. Команда ip route add default via 192.168.200.1 устанавливает 192.168.200.1 в качестве адреса маршрутизатора по умолчанию. После чего, выполнив команду ip route, мы увидим два маршрута; второй, для локальных адресов, появился автоматически. В таблице маршрутизации указывается, каким маршрутизаторам посылать IP-пакеты для разных адресов назначения.

# ip route add default via 192.168.200.1
# ip route
192.168.200.0/24 dev eth0  proto kernel  scope link  src 192.168.200.117
default via 192.168.200.1 dev eth0

Как в результате формируется весь маршрут пакета? Это выполняется динамически: в каждой точке маршрутизации принимается решение, куда IP-пакет отправить дальше. Но что делать очередному маршрутизатору, если пакет отправлять некуда, например маршрутизатор по умолчанию не задан, а адресат в таблице маршрутизации не обнаружен? Для ответа на этот вопрос следует рассмотреть протокол ICMP.

Диагностика сетевого соединения

После настройки IP-адреса машины маски следует проверить работоспособность маршрутизатора по умолчанию, например, отдав команду ping.

$ ping 192.168.200.1
PING 192.168.200.1 (192.168.200.1) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 192.168.37.1: icmp_seq=1 ttl=255 time=1.26 ms
64 bytes from 192.168.37.1: icmp_seq=2 ttl=255 time=0.892 ms
64 bytes from 192.168.37.1: icmp_seq=3 ttl=255 time=0.880 ms

Чтобы пояснить происходящее при её выполнении, уместно вспомнить о таком понятии, как протокол. Протокол --- это документ, который описывает, как происходит взаимодействие в сети в различных ситуациях. Таких протоколов очень много, и на каждом из уровней стека TCP/IP действуют свои протоколы. Так, на сетевом уровне существуют протоколы, которые из которых позволяет решать определённый круг задач. Основной протокол сетевого уровня --- IP --- предназначен для передачи полезных данных. Другой задачей сетевого уровня является передача диагностических сообщений. Например, маршрутизатор должен уведомить отправителя, если невозможна организация маршрута до получателя, причем это может обнаружить машина в середине маршрута. В таком случае ей необходимо послать диагностическое сообщение о том, что пакет не будет доставлен. Это одна из многих задач, которые надо решать, когда нам нужно выслать сведения о сложившейся ситуации. Протокол, решающий эти задачи прямо на уровне IP, называется ICMP (Internet Connection Management Protocol). В частности, команда ping  пользуется одним из типов таких сообщений --- эхо-запросами (ICMP Echo Request). Она посылает специальный ICMP-пакет в котором содержится информация о его номере и нечто вроде "ответь мне пожалуйста". Согласно протоколу ICMP получатель обязан отослать по получении эхо-ответ (ICMP Echo Reply).

Несмотря на очевидный системный характер протокола ICMP --- он не несёт никаких данных --- чрезвычайно вредно отключать или ограничивать его. При этом нужно знать, какие типы ICMP действительно нужны, а какие --- нет.

Чтобы проследить весь путь пакета от маршрутизатора к маршрутизатору, можно воспользоваться командой traceroute с указанием IP-адреса пункта назначения, например, traceroute 194.107.17.137. В ответ будут выведены адреса и имена маршрутизаторов, через которые проходит маршрут. Как же это реализовано? Для этого используется специальное поле в IP-пакете, называющееся ttl (Time To Live), которое уменьшается на единицу каждую секунду жизни пакета или при каждом прохождении через маршрутизатор. Соответственно, сначала посылается ICMP-пакет с ttl=1, и при первом прохождении через маршрутизатор ttl обнуляется, о чём маршрутизатор посылает ICMP-сообщение в связи с истечением времени жизни IP-пакета. Далее посылается пакет с ttl=2, и так далее. Это позволяет определить место разрыва сети, если проблема связана, например, с работой интернет-провайдера.

Сведения о ресурсах