Адресация в TCP/IP-сетях

Стек протоколов TCP/IP предназначен для соединения отдельных подсетей, построенных по разным технологиям канального и физического уровней (Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM, X.25 и т. д.) в единую составную сеть. Каждая из технологий нижнего уровня предполагает свою схему адресации.
Поэтому на межсетевом уровне требуется единый способ адресации, позволяющий уникально идентифицировать каждый узел, входящий в составную сеть.

Таким способом в TCP/IP-сетях является IP-адресация.

Узел составной сети, имеющий IP-адрес, называется хост (host). Хороший пример, иллюстрирующий составную сеть, – международная почтовая система адресации. Информация сетевого уровня – это индекс страны, добавленный к адресу письма, написанному на одном из тысяч языков земного шара, например на китайском. И даже если это письмо должно пройти через множество стран, почтовые работники которых не знают китайского, понятный им индекс страны-адресата подскажет, через какие промежуточные страны лучше передать письмо, чтобы оно кратчайшим путем попало в Китай. А уже там работники местных почтовых отделений смогут прочитать точный адрес, указывающий город, улицу, дом и человека, и доставить письмо адресату, так как адрес написан на языке и в форме, принятой в данной стране.

Типы адресов стека TCP/IP

В стеке TCP/IP используются три типа адресов:

• локальные (другое название – аппаратные);
• IP-адреса (сетевые адреса);
• символьные доменные имена.

Локальный адрес – это адрес, присвоенный узлу в соответствии с технологией подсети, входящей в составную сеть.  Если подсетью является локальная сеть Ethernet, Token Ring или FDDI, то локальный адрес – это МАС-адрес (MAC address – Media Access Control address).

МАС-адреса назначаются сетевым адаптерам и портам маршрутизаторов производителями оборудования и являются уникальными, так как распределяются централизованно. МАС-адрес имеет размер 6 байт и записывается в шестнадцатеричном виде, например 00-08-А0-12-5F-72.

IP-адреса (IP address) представляют собой основной тип адресов, на основании которых сетевой уровень передает сообщения, называемые IP- пакетами. Эти адреса состоят из 4 байт, записанных в десятичном виде и разделенных точками, например 117.52.9.44. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей. Поэтому каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP-адрес. Конечный узел также может входить в несколько IP-сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько  IP-адресов, по числу сетевых адаптеров. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

Символьные доменные имена (domain name) служат для удобства представления IP-адресов. Человеку неудобно запоминать числовые IP-адреса,  поэтому была разработана специальная служба, DNS (Domain Name System),  устанавливающая соответствие между IP-адресами и символьными доменными именами, например www.teacherbox.ru.

Структура IP-адреса

IP-адрес представляет собой 32-разрядное двоичное число, разделенное на группы по 8 бит, называемых октетами, например:

00010001 11101111 00101111 01011110

Обычно IP-адреса записываются в виде четырех десятичных октетов и разделяются точками. Таким образом, приведенный выше IP-адрес можно записать в следующей форме:

17.239.47.94

Следует заметить, что максимальное значение октета равно 11111111 (двоичная система счисления), что соответствует в десятичной системе 255.

Поэтому IP-адреса, в которых хотя бы один октет превышает это число, являются недействительными. Пример: 172.16.123.1 – действительный адрес, 172.16.123.256 – несуществующий адрес, поскольку 256 выходит за пределы допустимого диапазона.

IP-адрес состоит из двух логических частей – номера подсети (ID1 подсети) и номера узла (ID хоста) в этой подсети. При передаче пакета из одной подсети в другую используется ID подсети. Когда пакет попал в подсеть назначения, ID хоста указывает на конкретный узел в рамках этой подсети.

Чтобы записать ID подсети, в поле номера узла в IP-адресе ставят нули. Чтобы записать ID хоста, в поле номера подсети ставят нули. Например, если в IP-адресе 172.16.123.1 первые два байта отводятся под номер подсети, остальные два байта – под номер узла, то номера записываются следующим образом:
ID подсети: 172.16.0.0
ID хоста: 0.0.123.1

По числу разрядов, отводимых для представления номера узла (или номера подсети), можно определить общее количество узлов (или подсетей) по простому правилу: если число разрядов для представления номера узла равно N, то общее  количество узлов равно:

Два узла вычитаются вследствие того, что адреса со всеми разрядами, равными нулям или единицам, являются особыми и используются в специальных целях. Например, если под номер узла в некоторой подсети отводится два байта (16 бит), то общее количество узлов в такой подсети равно:
узла.

 Для определения того, какая часть IP-адреса отвечает за ID подсети, а какая за ID хоста, применяются два способа: с помощью классов и с помощью масок.

Общее правило:

под ID подсети отводятся первые несколько бит IP-адреса, оставшиеся биты обозначают ID хоста.

Классы IP-адресов

Существует пять классов IP-адресов: A, B, C, D и E (см. рис. 1). За принадлежность к тому или иному классу отвечают первые биты IP-адреса. Деление сетей на классы описано в RFC 791 (документ описания протокола IP).

Целью такого деления являлось создание малого числа больших сетей(класса А), умеренного числа средних сетей (класс В) и большого числа малых сетей (класс С).

Рис. 1. Классы IP-адресов

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. Сетей класса А немного, зато  количество узлов в них может достигать 224 – 2, то есть 16 777 214 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 – 2, что составляет 65 534 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 – 2, то есть 254 узлами.

Адрес, начинающийся с 1110, обозначает особый, групповой адрес (multicast). Пакет с таким адресом направляется всем узлам, которым присвоен данный адрес.
Адреса класса Е в настоящее время не используются (зарезервированы для будущих применений).