Основы Рv 4 -адресации и маршрутизации Глава 4

Основы Рv 4 -адресации и маршрутизации Глава 4

В рамках этой темы…

Термины • Маршрутизация IP – процесс перенаправления пакетов IP хостам и маршрутизаторам (уровень 3 PDU) по локальным и глобальным сетям. • IР-адресация: адреса, идентифицирующие хосты отправителя и получателя пакета. Правила адресации организуют адреса в группы, что облегчает процесс маршрутизации. • Протокол маршрутизации IP – протокол, позволяющий маршрутизаторам динамически узнавать о группах IР-адресов, чтобы маршрутизатор знал, куда перенаправлять пакеты IP, чтобы они достигли хоста назначения. • Другие утилиты: сетевой уровень полагается также и на другие утилиты. Для протокола TCP/IP это система доменных имен (DNS), протокол преобразования адресов (ARP) и утилита ping.

Логика маршрутизации сетевого уровня • Хосты используют сетевой уровень для выбора соседнего маршрутизатора, на который следует послать пакеты IP. Этот маршрутизатор в свою очередь выбирает направление дальнейшей передачи пакета IP.

Логика маршрутизации сетевого уровня ЭТАП КТО КУДА? ЧТО ПРОИСХОДИТ Компьютер РС 1 анализирует адрес получателя (168. 1. 1. 1) и понимает, что компьютер РС 2 находится не в той же локальной сети, что и он сам. 1 2 3 От PC 1 к R 1 (локально – адрес Логика хоста PC 1 требует послать пакет на устройство, которое должно знать, куда канального перенаправить данные, - соседний маршрутизатор в той же локальной сети, уровня 2) называемый стандартным маршрутизатором (default router) или стандартным шлюзом (default gateway). От R 1 к R 2 и т. д. (глобально – адрес сетевого уровня 3) От R 3 к PC 2 (локально) Маршрутизатор R 1 нашел в таблице маршрутизации запись с адресом получателя 168. 1. 1. 1 , которая указала ему передать пакет далее на маршрутизатор R 2. Аналогично маршрутизатор R 2 нашел бы в таблице маршрутизации запись, указывающую переслать пакет далее по каналу связи Eo. MPLS на маршрутизатор RЗ. Маршрутизатор RЗ должен перенаправить пакет непосредственно на компьютер РС 2, а не на некий другой маршрутизатор, так как в его таблице маршрутизации указан адрес этого компьютера, принадлежащий локальной сети данного маршрутизатора.

Таблицы маршрутизации • Каждый маршрутизатор хранит таблицу маршрутизации IP (IP routing tаblе). Эта таблица содержит группировки (grouping) IРадресов, известные также как сети IP (IP network) и подсети IP (IP subnet). • Когда маршрутизатор получает пакет, он сравнивает IР-адрес получателя пакета с записями в таблице маршрутизации и находит соответствие. Найденная запись содержит список направлений, указывающих маршрутизатору, куда перенаправить пакет далее.

Логика сетевого уровня • Логика сетевого уровня маршрутизации игнорирует физические детали передачи: процесс маршрутизации перенаправляет пакет сетевого уровня из конца в конец сети, а каждый фрейм канала связи - только на своем участке сети. • Сетевой уровень решает общую задачу: как переслать этот пакет на следующее заданное устройство; • Канальный уровень заботится о специфических особенностях: как инкапсулировать пакет во фрейме канала связи и передать его локально.

Протокол Arp • Примером механизма определения используемого маршрутизатором адреса канала связи является протокол преобразования адресов (Address Resolution Protocol ARP). • Он динамически изучает адрес канала связи хоста IP, подключенного к локальной сети. Маршрутизатор RЗ использует протокол ARP для выяснения МАСадреса компьютера РС 2, прежде чем послать на него любые пакеты.

Основные идеи маршрутизации • Процесс маршрутизации перенаправляет пакеты третьего уровня, которые также называются блоками данных протокола уровня 3 (Layer З Protocol Data Units LЗPDU ), на основе содержащегося в пакете адреса получателя. • Процесс маршрутизации использует канальный уровень для инкапсуляции пакетов третьего уровня во фреймы второго уровня для передачи через каждый последующий канал.

Сеть IP • Протокол TCP/IP группирует IР-адреса так, чтобы адреса, используемые в той же физической сети, принадлежали той же группе – это сеть IP (IP network) или подсеть IP (IP subnet). • Протокол IP определяет правила, согласно которым IР-адрес может относиться к той же сети или подсети IP: числовое представление адресов в той же группе имеет одинаковое значение в первой части адресов.

Сеть IP • Например: üхосты в верхней сети Ethernet: адреса начинаются с 10; üхосты на последовательном канале R 1 -R 2: адреса начинаются с 168. 10; üхосты в канале связи Eo. MPLS R 2 R 3: адреса начинаются с 168. 11; üхосты в нижней сети Ethernet: адреса начинаются с 168. 10…. . 168. 11…. . маршрутизатор хранит в таблице маршрутизации только одну запись для каждой сети или подсети IP, а не по отдельной записи для каждого конкретного IРадреса.

Заголовок IP • Процесс маршрутизации использует заголовок IPv 4, который включает 32 -разрядный IР-адрес отправителя и 32 -разрядный IРадрес получателя.

Правило логики маршрутизации • Чтобы логика маршрутизации работала на хостах и маршрутизаторах, каждый из них должен иметь информацию об объединенной сети TCP/IP: üчтобы хосты могли посылать пакеты дистанционным получателям, они должны знать IР-адрес своего стандартного маршрутизатора; üчтобы маршрутизаторы могли перенаправлять пакеты соответствующей сети или подсети IP, они должны знать маршруты к ним.

Протоколы маршрутизации • Если запустить протокол маршрутизации на всех маршрутизаторах в объединенной сети TCP/IP, то маршрутизаторы начнут между собой обмен сообщениями протокола маршрутизации. • В результате все маршрутизаторы изучат маршруты для всех сетей и подсетей IP в объединенной сети TCP/IP.

IP адреса • IР-адреса состоят из 32 -разрядного числа, обычно записанного в десятичном представлении с разделительными точками (Dotted - Decimal Notation – DDN) (отображает октеты с помощью десятичного числа, разделяя их точкой): üIР-адрес 168. 1. 1. 1 записан в десятичном представлении с разделительными точками üего фактическая, двоичная, версия такова: 10101000 00000001.

IP адреса • У каждого IР-адреса в представлении DDN есть четыре десятичных октета (octet), разделенных точками (октет – это синоним термина байт): поскольку каждый октет представляет 8 битовое двоичное число, его диапазон десятичных чисел составляет 0 -255 включительно. • Каждый сетевой интерфейс использует уникальный IР-адрес.

Правила группировки IP адресов • В первоначальных спецификациях стека протоколов TCP/IP IРадреса группировались в наборы последовательных адресов, которые назывались сетями IР (IP network). идентификатор сети (network ID): 8. 0. 0. 0

Правила группировки IР-адресов в сети или подсети • IР-адреса в одной группе не должны отделяться друг от друга маршрутизатором: хосты А и В слева находятся в той же сети IP и имеют IР-адреса, начинающиеся с 8. • IР-адреса, разделенные маршрутизатором, должны находиться в разных группах: хост С, отделенный от хоста А по крайней мере одним маршрутизатором, не может быть в той же сети IP , что и хост А; адрес хоста С не может начаться с 8.

Сети IP класса А, В и С • Пространство IРv 4 -адресов включает все возможные комбинации 32 -разрядного двоичного числа: допускается 2^32 различных значений , что составляет больше 4 миллиардов уникальных номеров. • В десятичном представлении с разделительными точками эти числа включают все комбинации значений от 0 до 255 во всех четырех октетах: 0. 0, 0. 0. 0. 1, 0. 0. 0. 2 и так далее до 255.

Сети IP класса А, В и С • Стандарт IP разделяет все пространство адресов на классы, идентифицируемые по значению первого октета. одноадресатные IР-адреса идентифицируют один интерфейс хоста

Количество сетей • Стандарты IPv 4 разделяют одноадресатные классы А, В и С на предопределенные сети IP: каждая сеть IP представляет собой подмножество значений адресов в классе. • Протокол IPv 4 использует три класса одноадресатных адресов для того, чтобы сети IP в каждом классе могли иметь разный размер и применяться для разных задач: Сети класса А предназначены для очень большого количества IР-адресов (больше 16 миллионов адресов хоста на сеть IP). Но поскольку каждая сеть класса А настолько велика, к нему относится всего 126 сетей. Класс В определяет сети IP, насчитывающие по 65534 адреса на сеть, но самих таких сетей более 16000. Класс С определяет намного меньшие сети IP, по 254 адреса в каждой.

Количество сетей IP сеть

Идентификатор сети • Для того, чтобы создать рабочую объединенную сеть TCP/IP, необходимо выбрать и использовать некую из сетей IP. • Для того, чтобы идентифицировать конкретную используется идентификатор сети (network ID). сеть IP • Идентификатор сети - это только одно из зарезервированных значений адреса в сети, которое идентифицирует саму сеть IP (Идентификатор сети не может использоваться как IР-адрес хоста)

Идентификатор сети Одни используют термин идентификатор сети (network ID), другие - номер сети (network number), третьи - адрес сети (network address). Все эти три термина - синонимы.

Сети класса А Адреса класса А состоят из всех адресов, начинающихся с 1 , всех адресов, начинающихся с 2, с 3 и т. д. до 126.

Сети класса В У адресов сетей класса В одинаковое значение уже двух первых октетов

Сети класса С У адресов сетей класса С одинаковы первые три октета - они определяют группу адресов единой сети класса С.

Диапазон значений сетей • Термин классовая сеть IР (classful IP network) обозначает любую сеть класса А, В или С, поскольку они определяются правилами для классов А, В и С.

Создание подсети IP • Создание подсетей - это дальнейшее разделение пространства IРv 4 -адресов на группы размером меньше одной сети IP: üподсети IP позволяют взять одну сеть IP класса А, В или С и разделить ее на множество меньших групп последовательных IР-адресов. • Термин subnet (подсеть) - это сокращение от subdivided network (разделенная сеть): üпосле разделения в каждой области, где обычно использовалась бы вся сеть класса А, В или С, можно использовать меньшую подсеть, тратя впустую меньше IР-адресов.

Сеть без подсетей 5 сетей класса В: три локальных сети и два последовательных канала связи Доступно: 65 534 IР-адреса сети класса В, начинающихся с 150. 1 Необходимо: для двухточечной передачи только 2 IP адреса

Сеть с подсетями используется пять групп адресов, т. е. пять подсетей сети класса В 150. 9. 0. 0. Группа адресов из 254 адресов, начиная с 150. 9. 4 Группа адресов из 254 адресов, начиная с 150. 9. 2 Группа адресов из 254 адресов, начиная с 150. 9. 1 Группа адресов из 254 адресов, начиная с 150. 9. 3 Группа адресов из 254 адресов, начиная с 150. 9. 5

Упрощенная логика маршрутизации • При выборе направления передачи пакета хосты используют упрощенную логику маршрутизации (если используются подсети): üЭтап 1: Если IР-адрес получателя находится в той же подсети IP, что и адрес отправителя, пакет отправляется непосредственно хоступолучателю üЭтап 2: В противном случае пакет отправляется на стандартный шлюз (default gateway) (он же стандартный маршрутизатор (default router)). (Этот маршрутизатор имеет интерфейс в той же подсети, что и хост. )

Упрощенная логика маршрутизации Когда компьютер PC 1 посылает пакет на компьютер РС 2 (150. 9. 4. 10) , он понимает, что РС 2 не находится в той же подсети, что и PC 1. Поэтому он перенаправляют пакет (этап 2) на свой стандартный шлюз, 150. 9. 1. 1, который затем перенаправляет пакет компьютеру РС 2. Компьютер РС 1 устанавливает, что IР-адрес компьютера PC 11 находится в той же подсети, что и PC 1, поэтому он игнорирует свой стандартный маршрутизатор (150. 9. 1. 1) и посылает пакет непосредственно на РС 11.

Резюме логики маршрутизации • Когда маршрутизатор получает фрейм канала связи со своим адресом, он должен обработать его содержимое. Для этого маршрутизатор применяет к фрейму канала связи следующую логику: ü Этап 1: Для проверки ошибок фрейма используется поле контрольной суммы фрейма (FCS) канала связи. Если есть ошибки, фрейм отбрасывается ü Этап 2: Если пакет не был отброшен на предыдущем этапе, отбрасывается старый канальный заголовок и концевик и остается только пакет IP ü Этап З: IР-адрес отправителя пакета IP сопоставляется с таблицей маршрутизации и определяется маршрут, который лучше всего соответствует этому адресу; маршрут идентифицирует исходящий интерфейс маршрутизатора и, возможно, IР-адрес маршрутизатора следующего перехода ü Этап 4: Пакет IP инкапсулируется в новый канальный заголовок и концевик, подходящий для исходящего интерфейса, и фрейм отправляется

Пример маршрутизации • Маршрутизаторыиспользуют открытый протокол поиска первого кратчайшего маршрута (Open Shortest Path First - OSPF) и все маршрутизаторы знают маршруты для всех подсетей.

Логика маршрутизации сетевого уровня ЭТАП А Б КТО КУДА? Компьютер PC 1 отправляет пакет своему стандартному маршрутизатору Маршрутизатор R 1 обрабатывает входящий фрейм и перенаправляет пакет маршрутизатору R 2 ЧТО ПРОИСХОДИТ Сначала PC 1 создает пакет IP, адресом получателя которого указан IР-адрес компьютера РС 2 (150. 4. 10). PC 1 должен отправить пакет маршрутизатору R 1 (это его маршрутизатор), поскольку получатель находится в другой подсети. стандартный PC 1 помещает пакет IP во фрейм Ethernet, в котором адрес Ethernet получателя соответствует адресу Ethernet маршрутизатора R 1. Маршрутизатор R 1 проверяет поле FCS фрейма и убеждается , что ошибок нет 2. отбрасывает заголовок и концевик Etherпet 3. сравнивает указанный в пакете адрес получателя (150. 4. 10) с таблицей маршрутизации и находит запись для подсети 150. 4. после инкапсуляции пакета во фрейм НDLC перенаправляет пакет через исходящий интерфейс Serial 0 следующему маршрутизатору R 2

Логика маршрутизации сетевого уровня ЭТАП КТО КУДА? В Маршрутизатор R 2 обрабатывает входящий фрейм и перенаправляет пакет маршрутизатору RЗ Г Маршрутизатор R 3 обрабатывает входящий фрейм и перенаправляет пакет компьютеру РС 2 ЧТО ПРОИСХОДИТ Получи в фрейм H DLC, маршрутизатор R 2 повторяет тот же общий процесс, что и маршрутизатор R 1: сверяет контрольную сумму, отбрасывает заголовок и концевик фрейма, сверяется с таблицей маршрутизации, инкапсулирует пакет в новый фрейм и отправляет его через определенный интерфейс. Маршрутизатор R 1, как и R 1 и R 2, проверяет поле FCS, отбрасывает старый заголовок и концевик канального уровня и находит свой маршрут для подсети 150. 4. 0. Таблица маршрутизации на R 3 обнаруживает, что следующего перехода нет, поскольку маршрутизатор R 3 подключен непосредственно к подсети 1 50. 150. 4. 0. Маршрутизатору R 3 остается только инкапсулировать пакет в новом заголовке Ethernet и концевике, указав в качестве адреса Ethernet получателя МАС-адрес компьютера РС 2, и передать фрейм ему непосредственно.

Задачи протоколов маршрутизации • Динамически определять маршруты ко всем подсетям в сети и заполнять этими маршрутами таблицу маршрутизации. • Если доступно несколько маршрутов к какой-либо подсети, поместить в таблицу наилучший из них. • Определять, когда маршруты в таблице оказываются неправильными, и удалять их из таблицы маршрутизации. • Если маршрут удаляется из таблицы и доступен маршрут через соседний маршрутизатор, то добавлять такой маршрут в таблицу. • Как можно быстрее добавлять новые маршруты или заменять потерянные. (Время между потерей маршрута и нахождением работоспособной замены ему называется временем конвергенции (convergence time)). • Предотвращать маршрутные петли.

Этапы изучения маршрутов маршрутизаторами Этап 1: Каждый маршрутизатор добавляет маршрут в свою таблицу маршрутизации для каждой подсети, непосредствен но подключенной к этому маршрутизатору Этап 2: Каждый протокол маршрутизации маршрутизатора сообщает своим соседям обо всех маршрутах в его таблице, включая непосредственно подключенные к нему маршруты, а также маршруты, о которых ему сообщили другие маршрутизаторы Этап З: После получения нового маршрута от соседа протокол маршрутизации IP маршрутизатора добавляет маршрут в свою таблицу маршрутизации. При этом в качестве маршрутизатора следующего перехода обычно записывается соседний маршрутизатор, от которого был получен этот маршрут

Этапы изучения маршрутов маршрутизаторами • Все протоколы маршрутизации используют концепцию, согласно которой маршрутизаторы могут узнавать информацию о маршрутизации друг у друга. • В данном случае маршрутизаторы узнают о подсети 1 50. 150. 4. 0.

Этапы изучения маршрутов маршрутизаторами ЭТАП ПРОИСХОДЯЩЕЕ А Подсеть 150. 4. 0, соединена с маршрутизатором RЗ Б Маршрутизатор RЗ добавляет полученный маршрут к подсети 150. 4. 0 в свою таблицу маршрутизации IP; это происходит без помощи протокола маршрутизации (этап 1) В Маршрутизатор R 3 отправляет сообщение протокола маршрутизации, называемое анонсом маршрутизации (routiпg update), маршрутизатору R 2, и этот маршрутизатор узнает о подсети 150. 4. 0 (этап 2) Г Маршрутизатор R 3 добавляет маршрут для подсети 150. 4. 0 к своей таблице маршрутизации (этап 3) Д Маршрутизатор R 2 отправляет аналогичную информацию маршрутизатору R 1, сообщая ему о подсети 150. 4. 0 (этап 2) Е Маршрутизатор R 1 добавляет маршрут для подсети 150. 4. 0 к своей таблице маршрутизации (этап 3). Маршрут указывает Serial 0 в качестве исходящего интерфейса R 1, и IP-адрес R 2 (150. 2. 7) - как следующий транзитный маршрутизатор

Система доменных имен • Модель TCP/IP определяет способ использования имен хоста (host name) для идентификации компьютеров: üНапример, когда в веб-браузере вводят имя хоста www. google. соm, компьютер посылает пакет IP не с IР-адресом получателя www. google. соm; он посылает его с IР-адресом, используемым вебсервером Google. üМодели TCP/IP нужен способ, позволяющий компьютеру находить IРадрес по имени хоста, и этот способ подразумевает использование системы доменных имен (Domain name system - DNS).

Система доменных имен

Протокол преобразования адресов (ARP) • Логика маршрутизации IP требует, чтобы хосты и маршрутизаторы помещали пакеты IP во фреймы канального уровня, для которого нужен МАС-адрес, однако этот адрес не известен заранее: üЧтобы любой хост или маршрутизатор в локальной сети мог динамически изучать МАС-адреса других хостов или маршрутизаторов IP в той же локальной сети, модель TCP/IP определяет протокол преобразования адресов (Address Resolution Protoco - ARP). üПротокол ARP определяет, что включает запрос ARP (ARP request), т. е. сообщение, задающее простой вопрос: "Если это ваш IР-адрес, подскажите свой МАС-адрес". üПротокол ARP определяет также ответное сообщение ARP (ARP reply), включающее первоначальный IР-адрес и соответствующий ему МАСадрес.

Протокол преобразования адресов

Arp-кэш • Хосты запоминают результат запроса ARP, сохраняя информацию в кеше ARP (ARP cache) или таблице ARP (ARP tаble). • Хосты и маршрутизаторы используют протокол ARP лишь иногда, в основном для первоначального создания кеша ARP. • Через некоторое время хосты и маршрутизаторы удаляют записи из кеша ARP, чтобы очистить таблицу, поэтому отдельные запросы ARP впоследствии тоже возможны.

Arp-кэш • Содержимое кеша ARP можно просмотреть в большинстве операционных систем, используя в командной строке команду arp -а.

Протокол ICMP эхо-запросов: ping • После того как сеть TCP/IP установлена, необходимо проверить базовую связь IP, не полагаясь на какие-либо приложения: ü Основным средством для проверки базовой сетевой связи является команда ping. • Утилита ping (Packet Internet Groper) использует протокол управляющих сообщений Интернета (lnternet Control Message Protoco 1 - ICMP): 1. утилита отправляет на другой IР-адрес сообщение, которое называется эхо-запрос IСМР (ICMP echo request). 2. Ожидается, что компьютер с этим IР-адресом пришлет эхо-ответ ICMP (ICMP echo reply). 3. Если это так, то сеть успешно проверена (сеть может доставлять пакет от хоста хосту).

Протокол ICMP эхо-запросов: ping • Протокол ICMP не полагается на какие-либо приложения, он лишь проверяет базовую связь IР - уровни 1 -3 эталонной модели OSI.

Ключевые темы