Протокол IPv4

Что такое IPv4?

IPv4 - это аббревиатура от Internet Protocol version 4 (Интернет Протокол версии 4) – представляет собой основной тип адресов, используемый на сетевом уровне модели OSI, для осуществления передачи пакетов между сетями. IP-адреса состоят из четырех байт, к примеру 192.168.100.111.

Присвоение IP-адресов хостам осуществляется:

• вручную, настраивается системным администратором во время настройки вычислительной сети;
• автоматически, с использование специальных протоколов (в частности, с помощью протокола DHCP - Dynamic Host Configuration Protocol, протокол динамической настройки хостов).

Протокол IPv4 разработан в сентябре 1981 года.

Протокол IPv4 работает на межсетевом (сетевом) уровне стека протокола TCP/IP. Основной задачей протокола является осуществление передачи блоков данных (дейтаграмм) от хоста-отправителя, до хоста-назначения, где отправителями и получателями выступают вычислительные машины, однозначно идентифицируемые адресами фиксированной длины (IP-адресами). Также интернет протокол IP осуществляет, в случае необходимости, фрагментацию и сбору отправляемых дейтаграмм для передачи данных через другие сети с меньшим размером пакетов.

Недостатком протокола IP является ненадежность протокола, то есть перед началом передачи не устанавливается соединение, это говорит о том, что не подтверждается доставка пакетов, не осуществляется контроль корректности полученных данных (с помощью контрольной суммы) и не выполняется операция квитирования (обмен служебными сообщения с узлом-назначения и его готовностью приема пакетов).

Протокол IP отправляет и обрабатывает каждую дейтаграмму как независимую порцию данных, то есть не имея никаких других связей с другими дейтаграммами в глобальной сети интернет.

После отправки дейтаграммы протоколом IP в сеть, дальнейшие действия с этой дейтаграммой никак не контролируются отправителем. Получается, что если дейтаграмма, по каким-либо причинам, не может быть передана дальше по сети, она уничтожается. Хотя узел, уничтоживший дейтаграмму, имеет возможность сообщить о причине сбоя отправителю, по обратному адресу (в частности с помощью протокола ICMP). Гарантию доставки данных возложены на протоколы вышестоящего уровня (транспортный уровень), которые наделены для этого специальными механизмами (протокол TCP).

Как известно, на сетевом уровне модели OSI работают маршрутизаторы. Поэтому, одной из самых основных задач протокола IP – это осуществление маршрутизации дейтаграмм, другими словами, определение оптимального пути следования дейтаграмм (с помощью алгоритмов маршрутизации) от узла-отправителя сети к любому другому узлу сети на основании IP адреса.

Алгоритм работы протокола ip

Алгоритм работы протокола ip на каком-либо узле сети принимающего дейтаграмму из сети выглядит следующим образом:

Формат заголовка IP

Структура IP пакетов версии 4 представлена на рисунке

• Версия — для IPv4 значение поля должно быть равно 4.
• IHL — (Internet Header Length) длина заголовка IP-пакета в 32-битных словах (dword). Именно это поле указывает на начало блока данных в пакете. Минимальное корректное значение для этого поля равно 5.
• Тип обслуживания (Type of Service, акроним TOS) — байт, содержащий набор критериев, определяющих тип обслуживания IP-пакетов, представлен на рисунке.

Описание байта обслуживания побитно:

• • 0-2 — приоритет (precedence) данного IP-сегмента
  • 3 — требование ко времени задержки (delay) передачи IP-сегмента (0 — нормальная, 1 — низкая задержка)
  • 4 — требование к пропускной способности (throughput) маршрута, по которому должен отправляться IP-сегмент (0 — низкая, 1 — высокая пропускная способность)
  • 5 — требование к надежности (reliability) передачи IP-сегмента (0 — нормальная, 1 — высокая надежность)
  • 6-7 — ECN — явное сообщение о задержке (управление IP-потоком).
• Длина пакета - длина пакета в октетах, включая заголовок и данные. Минимальное корректное значение для этого поля равно 20, максимальное 65535.
• Идентификатор — значение, назначаемое отправителем пакета и предназначенное для определения корректной последовательности фрагментов при сборке пакета. Для фрагментированного пакета все фрагменты имеют одинаковый идентификатор.
• 3 бита флагов. Первый бит должен быть всегда равен нулю, второй бит DF (don’t fragment) определяет возможность фрагментации пакета и третий бит MF (more fragments) показывает, не является ли этот пакет последним в цепочке пакетов.
• Смещение фрагмента — значение, определяющее позицию фрагмента в потоке данных. Смещение задается количеством восьми байтовых блоков, поэтому это значение требует умножения на 8 для перевода в байты.
• Время жизни (TTL) — число маршрутизаторов, которые должен пройти этот пакет. При прохождении маршрутизатора это число уменьшатся на единицу. Если значения этого поля равно нулю то, пакет должен быть отброшен и отправителю пакета может быть послано сообщение Time Exceeded (ICMP код 11 тип 0).
• Протокол — идентификатор интернет-протокола следующего уровня указывает, данные какого протокола содержит пакет, например, TCP или ICMP.
• Контрольная сумма заголовка — вычисляется в соответствии с RFC 1071

Перехваченный IPv4 пакет с помощью сниффера Wireshark:

Фрагментация IP пакетов

На пути пакета от отправителя к получателю могут встречаться локальные и глобальные сети разных типов с разными допустимыми размерами полей данных кадров канального уровня (Maximum Transfer Unit – MTU). Так, сети Ethernet могут передавать кадры, несущие до 1500 байт данных, для сетей X.25 характерен размер поля данных кадра в 128 байт, сети FDDI могут передавать кадры размером в 4500 байт, в других сетях действуют свои ограничения. Протокол IP умеет передавать дейтаграммы, длина которых больше MTU промежуточной сети, за счет фрагментирования – разбиения “большого пакета” на некоторое количество частей (фрагментов), размер каждой из которых удовлетворяет промежуточную сеть. После того, как все фрагменты будут переданы через промежуточную сеть, они будут собраны на узле-получателе модулем протокола IP обратно в “большой пакет”. Отметим, что сборку пакета из фрагментов осуществляет только получатель, а не какой-либо из промежуточных маршрутизаторов. Маршрутизаторы могут только фрагментировать пакеты, но не собирать их. Это связано с тем, что разные фрагменты одного пакета не обязательно будут проходить через одни и те же маршрутизаторы.

Для того, чтобы не перепутать фрагменты разных пакетов, используется поле Идентификации, значение которого должно быть одинаковым для всех фрагментов одного пакета и не повторяться для разных пакетов, пока у обоих пакетов не истекло время жизни. При делении данных пакета, размер всех фрагментов, кроме последнего, должен быть кратен 8 байтам. Это позволяет отвести меньше места в заголовке под поле Смещение фрагмента.

Второй бит поля Флаги (More fragments), если равен единице, указывает на то, что данный фрагмент – не последний в пакете. Если пакет отправляется без фрагментации, флаг “More fragments” устанавливается в 0, а поле Смещение фрагмента – заполняется нулевыми битами.

Если первый бит поля Флаги (Don’t fragment) равен единице, то фрагментация пакета запрещена. Если этот пакет должен быть передан через сеть с недостаточным MTU, то маршрутизатор вынужден будет его отбросить (и сообщить об этом отправителю посредством протокола ICMP). Этот флаг используется в случаях, когда отправителю известно, что у получателя нет достаточно ресурсов по восстановлению пакетов из фрагментов.

Классы IP адресов

Все IP-адреса можно разделить на две логические части — номера сети и номера узла сети (номер хоста). Чтобы определить какая именно часть IP-адреса принадлежит к номеру сети, а какая — к номеру хоста, определяется значениями первых бит адреса. Также, первые биты IP-адреса используются для того, чтобы определить к какому классу относится тот или другой IP-адрес.

На рисунке показана структура IP-адреса разных классов.

Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) Сетей класса А немного, зато количество узлов в них может достигать 2²⁴, то есть 16 777 216 узлов.

Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В. В сетях класса В под номер сети и под номер узла отводится по 16 бит, то есть по 2 байта. Таким образом, сеть класса В является сетью средних размеров с максимальным числом узлов 2¹⁶, что составляет 65 536 узлов.

Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С. В этом случае под номер сети отводится 24 бита, а под номер узла — 8 бит. Сети этого класса наиболее распространены, число узлов в них ограничено 2⁸, то есть 256 узлами.

Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса Dи обозначает особый, групповой адрес — multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.

Если адрес начинается с последовательности 11110, то это значит, что данный адрес относится к классу Е. Адреса этого класса зарезервированы для будущих применений.

В таблице приведены диапазоны номеров сетей и максимальное число узлов, соответствующих каждому классу сетей.

Большие сети получают адреса класса А, средние — класса В, а маленькие — класса С.

Использование масок в IP адресации

Для того, чтобы получить тот или иной диапазон IP-адресов предприятиям предлагалось заполнить регистрационную форму, в которой перечислялось текущее число ЭВМ и планируемое увеличение количества вычислительных машин и в итоге предприятию выдавался класс IP – адресов: A, B, C, в зависимости от указанных данных в регистрационной форме.

Данный механизм выдачи диапазонов IP-адресов работал штатно, это было связано с тем, что поначалу в организациях было небольшое количество ЭВМ и соответственно небольшие вычислительные сети. Но в связи с дальнейшим бурным ростом интернета и сетевых технологий описанный подход к распределению IP-адресов стал выдавать сбои, в основном связанные с сетями класса «B». Действительно, организациям, в которых число компьютеров не превышало нескольких сотен (скажем, 500), приходилось регистрировать для себя целую сеть класса «В» (так как класс «С» только для 254 компьютеров, а класс «В» - 65534). Из-за чего доступных сетей класса «В» стало, просто на просто, не хватать, но при этом большие диапазоны IP-адресов пропадали зря.

Традиционная схема деления IP-адреса на номер сети (NetID) и номер узла (HostID) основана на понятии класса, который определяется значениями нескольких первых бит адреса. Именно потому, что первый байт адреса 185.23.44.206 попадает в диапазон 128-191, мы можем сказать, что этот адрес относится к классу В, а значит, номером сети являются первые два байта, дополненные двумя нулевыми байтами — 185.23.0.0, а номером узла — 0.0.44.206.

А что если использовать какой-либо другой признак, с помощью которого можно было бы более гибко устанавливать границу между номером сети и номером узла? В качестве такого признака сейчас получили широкое распространение маски.

Маска — это число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит единицы в тех разрядах, которые должны в IP-адресе интерпретироваться как номер сети. Поскольку номер сети является цельной частью адреса, единицы в маске также должны представлять непрерывную последовательность.

Для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:

• класс А - 11111111. 00000000. 00000000. 00000000 (255.0.0.0);
• класс В - 11111111. 11111111. 00000000. 00000000 (255.255.0.0);
• класс С - 11111111. 11111111.11111111. 00000000 (255.255.255.0).

Снабжая каждый IP-адрес маской, можно отказаться от понятий классов адресов и сделать более гибкой систему адресации. Например, если рассмотренный выше адрес 185.23.44.206 ассоциировать с маской 255.255.255.0, то номером сети будет 185.23.44.0, а не 185.23.0.0, как это определено системой классов.

Расчет номера сети и номера узла с помощью маски:

В масках количество единиц в последовательности, определяющей границу номера сети, не обязательно должно быть кратным 8, чтобы повторять деление адреса на байты. Пусть, например, для IP-адреса 129.64.134.5 указана маска 255.255.128.0, то есть в двоичном виде:

• IP-адрес 129.64.134.5 - 10000001. 01000000.10000110. 00000101
• Маска 255.255.128.0 - 11111111.11111111.10000000. 00000000

Если игнорировать маску, то в соответствии с системой классов адрес 129.64.134.5 относится к классу В, а значит, номером сети являются первые 2 байта — 129.64.0.0, а номером узла — 0.0.134.5.

Если же использовать для определения границы номера сети маску, то 17 последовательных единиц в маске, «наложенные» (логическое умножение) на IP-адрес, определяют в качестве номера сети в двоичном выражении число:

или в десятичной форме записи — номер сети 129.64.128.0, а номер узла 0.0.6.5.

Существует также короткий вариант записи маски, называемый префиксом или короткой маской. В частности сеть 80.255.147.32 с маской 255.255.255.252, можно записать в виде 80.255.147.32/30, где «/30» указывает на количество двоичных единиц в маске, то есть тридцать бинарных единиц (отсчет ведется слева направо).

Для наглядности в таблице отображается соответствие префикса с маской:

Механизм масок широко распространен в IP-маршрутизации, причем маски могут использоваться для самых разных целей. С их помощью администратор может структурировать свою сеть, не требуя от поставщика услуг дополнительных номеров сетей. На основе этого же механизма поставщики услуг могут объединять адресные пространства нескольких сетей путем введения так называемых «префиксов» с целью уменьшения объема таблиц маршрутизации и повышения за счет этого производительности маршрутизаторов. Помимо этого записывать маску в виде префикса значительно короче.

Особые IP адреса

В протоколе IP существует несколько соглашений об особой интерпретации IP-адресов:

• 0.0.0.0 - представляет адрес шлюза по умолчанию, т.е. адрес компьютера, которому следует направлять информационные пакеты, если они не нашли адресата в локальной сети (таблице маршрутизации);
• 255.255.255.255 – широковещательный адрес. Сообщения, переданные по этому адресу, получают все узлы локальной сети, содержащей компьютер-источник сообщения (в другие локальные сети оно не передается);
• «Номер сети».«все нули» – адрес сети (например 192.168.10.0);
• «Все нули».«номер узла» – узел в данной сети (например 0.0.0.23). Может использоваться для передачи сообщений конкретному узлу внутри локальной сети;
• Если в поле номера узла назначения стоят только единицы, то пакет, имеющий такой адрес, рассылается всем узлам сети с заданным номером сети. Например, пакет с адресом 192.190.21.255 доставляется всем узлам сети 192.190.21.0. Такая рассылка называется широковещательным сообщением (broadcast). При адресации необходимо учитывать те ограничения, которые вносятся особым назначением некоторых IP-адресов. Так, ни номер сети, ни номер узла не может состоять только из одних двоичных единиц или только из одних двоичных нулей. Отсюда следует, что максимальное количество узлов, приведенное в таблице для сетей каждого класса, на практике должно быть уменьшено на 2. Например, в сетях класса С под номер узла отводится 8 бит, которые позволяют задавать 256 номеров: от 0 до 255. Однако на практике максимальное число узлов в сети класса С не может превышать 254, так как адреса 0 и 255 имеют специальное назначение. Из этих же соображений следует, что конечный узел не может иметь адрес типа 98.255.255.255, поскольку номер узла в этом адресе класса А состоит из одних двоичных единиц.
• Особый смысл имеет IP-адрес, первый октет которого равен 127.х.х.х. Он используется для тестирования программ и взаимодействия процессов в пределах одной машины. Когда программа посылает данные по IP-адресу 127.0.0.1, то образуется как бы «петля». Данные не передаются по сети, а возвращаются модулям верхнего уровня как только что принятые. Поэтому в IP-сети запрещается присваивать машинам IP-адреса, начинающиеся со 127. Этот адрес имеет название loopback. Можно отнести адрес 127.0.0.0 ко внутренней сети модуля маршрутизации узла, а адрес 127.0.0.1 — к адресу этого модуля на внутренней сети. На самом деле любой адрес сети 127.0.0.0 служит для обозначения своего модуля маршрутизации, а не только 127.0.0.1, например 127.0.0.3.

В протоколе IP нет понятия широковещательности в том смысле, в котором оно используется в протоколах канального уровня локальных сетей, когда данные должны быть доставлены абсолютно всем узлам. Как ограниченный широковещательный IP-адрес, так и широковещательный IP-адрес имеют пределы распространения в интерсети — они ограничены либо сетью, к которой принадлежит узел-источник пакета, либо сетью, номер которой указан в адресе назначения. Поэтому деление сети с помощью маршрутизаторов на части локализует широковещательный шторм пределами одной из составляющих общую сеть частей просто потому, что нет способа адресовать пакет одновременно всем узлам всех сетей составной сети.

IP-адреса используемые в локальных сетях

Все используемые в Интернете адреса, должны регистрироваться, что гарантирует их уникальность в масштабе всей планеты. Такие адреса называются реальными или публичными IP-адресами.

Для локальных сетей, не подключенных к Интернету, регистрация IP-адресов, естественно, не требуется, так как, в принципе, здесь можно использовать любые возможные адреса. Однако, чтобы не допускать возможность конфликтов при последующем подключении такой сети к интернету, рекомендуется применять в локальных сетях только следующие диапазоны так называемых частных IP-адресов (в интернете эти адреса не существуют и использовать их там нет возможности), представленных в таблице.