Хант Крэйг. TCP/IP Сетевое администрирование

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 1. Обзор TCP/IP

Отдельные протоколы, такие как Telnet и FTP, требуют от пользователя

определенных познаний в работе сети. Другие, например OSPF, обычно

остаются скрытыми от пользователей. Системный администратор осознает

существование всех этих приложений и всех протоколов уровней TCP/IP.

Более того, он отвечает за их настройку!

Резюме

В этой главе мы обсудили структуру TCP/IP, семейства протоколов, состав-

ляющих основу сети Интернет. Иерархия TCP/IP состоит из четырех уров-

ней: прикладного, транспортного, уровня Internet и уровня доступа к сети.

Мы рассмотрели функциональность каждого из уровней. В следующей главе

будет обсуждаться перемещение IP-дейтаграммы по сети в процессе достав-

ки данных между узлами.

• Адресация, маршрутизация

и мультиплексирование

• Адрес IP

• Архитектура маршрутизации

в Интернете

• Таблица маршрутизации

• Разрешение адресов

• Протоколы, порты и сокеты

Доставка данных

В первой главе мы кратко изучили основы архитектуры и схему работы се-

мейства протоколов TCP/IP и теперь знаем, что иерархия TCP/IP состоит из

четырех уровней. В этой главе более пристально рассматривается перемеще-

ние данных между уровнями протоколов и компьютерами сети, уделяется

внимание структуре адреса IP, в том числе маршрутизации данных на пути

к адресату и локальному переопределению адресной структуры в целях об-

разования подсетей. Кроме того, мы изучим номера протоколов и портов,

которые используются для доставки данных соответствующим приложени-

ям. Таким образом, мы перейдем от обзора TCP/IP к конкретным вопросам

реализации, влияющим на настройку компьютерных систем.

Адресация, маршрутизация

и мультиплексирование

Перенос данных между двумя узлами сети включает в себя передачу данных

по сети на конечный узел, и уже в пределах этого узла - соответствующему

пользователю или процессу. Для решения этих задач в TCP/IP применяются

следующие три механизма:

Адресация

Адреса IP, уникальные «имена» узлов сети, обеспечивают возможность

доставки данных нужному узлу.

Маршрутизация

Шлюзы передают данные в нужную сеть.

44 Глава 2. Доставка данных

Мультиплексирование

Номера протоколов и портов позволяют передавать данные нужному про-

граммному модулю в пределах узла.

Каждый из механизмов - адресация узлов, маршрутизация между сетями и

мультиплексирование между уровнями - необходим, чтобы взаимодейству-

ющие приложения могли обмениваться данными по сети Интернет. Рас-

смотрим каждый из механизмов подробнее.

Для иллюстрации понятий и организации ряда согласованных между собой

примеров представим себе некоторую корпоративную сеть. В нашей вообра-

жаемой компании работают авторы компьютерных книг и преподаватели

компьютерных курсов. Сеть компании состоит из нескольких сетей, объеди-

няя центр обучения и издательскую контору, и связана с сетью Интернет.

Мы отвечаем за управление сетью Ethernet из вычислительного центра.

Структура сети, или ее топология, отражена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Пример топологии сети

Пиктограммы на рисунке представляют компьютерные системы. В нашей

воображаемой сети есть, разумеется, и другие воображаемые компьютеры,

но в большинстве наших примеров будут фигурировать узлы rodent (рабочая

станция) и crab (система, выполняющая обязанности шлюза). Широкая раз-

делительная линия обозначает Ethernet-шину компьютерного центра, овал -

локальную сеть, объединяющую сети компании в одну корпоративную сеть.

Облако - это сеть Интернет, а номерами представлены IP-адреса.

Адрес IP

Адрес IP - это 32-битное значение, уникальное для каждого устройства,

подключенного к сети TCP/IP. Адрес IP обычно записывается в виде четы-

рех десятичных чисел, разделенных точками.

Каждое десятичное число

представляет один байт, состоящий из 8 бит 32-разрядного адреса, и лежит в

интервале от 0 до 255 (возможные десятичные значения одного байта).

IP-адреса часто называют адресами узлов. Несмотря на широкое хождение

такого названия, оно не совсем точное. Адреса IP назначаются не компьюте-

рам, но сетевым интерфейсам. Система-шлюз, например crab (см. рис. 2.1),

имеет разные адреса в каждой из сетей, в которую входит. Устройства опре-

деленной сети обращаются к шлюзу по его адресу в этой сети. Например,

узел rodent обращается к узлу crab по адресу 172.16.12.1, тогда как внешние

узлы - по адресу 10.104.0.19.

Обращение по адресу выполняется тремя различными способами. К отдель-

ной системе обращение производится непосредственно по адресу узла, кото-

рый называется индивидуальным (unicast) адресом. Индивидуальный пакет

адресован единственному узлу. К группе систем обращение производится с

помощью групповых (multicast) адресов, таких как 224.0.0.9. Маршрутиза-

торы вдоль пути от источника к адресату распознают специальные адреса и

направляют копии пакетов всем членам группы.

Ко всем системам сети

можно обратиться посредством широковещательных (broadcast) адресов, та-

ких как 172.16.255.255. Широковещательный адрес зависит от возможнос-

тей конкретной физической сети.

Широковещательный адрес - хорошая иллюстрация того факта, что не все

сетевые адреса или адреса узлов могут быть назначены сетевым устройст-

вам. Некоторые из адресов узлов зарезервированы для служебных целей.

Номера узлов 0 и 255 зарезервированы во всех сетях. Адрес IP, в котором все

биты узла установлены в единицу, является широковещательным адресом.

Для сети 172.16 широковещательным адресом будет 172.16.255.255. От-

правленная на этот адрес дейтаграмма будет доставлена каждому из узлов

сети 172.16. Адрес IP, в котором все биты узла имеют нулевое значение,

обозначает собственно сеть. Так, адрес 10.0.0.0 обозначает сеть 10, адрес

172.16.0.0- сеть 172.16. Адреса в таком формате применяются в таблицах

маршрутизации для обозначения целых сетей.

В адресе физической сети первый байт не может иметь значение, большее

223, поскольку такие адреса зарезервированы для служебных целей. Еще

Иногда адреса записываются и в других форматах, например в виде шестнадцате-

ричных чисел. Независимо от представления структура и значение адреса оста-

ются неизменными.

Это лишь частично верно. Доставка по групповым адресам поддерживается не

всеми маршрутизаторами. Иногда бывает необходимо передать данные через

маршрутизаторы, инкапсулировав групповой пакет внутри индивидуального.

В главе 5 описаны параметры настройки, позволяющие изменять стандартный

широковещательный адрес.

Глава 2. Доставка данных

два адреса сетей используются только в служебных целях: сеть 0.0.0.0 слу-

жит маршрутом по умолчанию, а сеть 127.0.0.0 является кольцевой (loop-

back). Маршрут по умолчанию позволяет упростить информацию по марш-

рутизации, с которой работает IP. Кольцевой адрес упрощает сетевые прило-

жения, позволяя обращаться к локальному узлу таким же образом, как и к

любому из удаленных. Эти специальные адреса сетей играют важную роль в

настройке узла, однако не могут назначаться устройствам в реальных сетях.

За исключением описанных случаев, адреса назначаются физическим уст-

ройствам и используются протоколом Internet для доставки данных на эти

устройства.

Протокол Internet переносит данные между узлами в виде дейтаграмм. Каж-

дая дейтаграмма доставляется по адресу, содержащемуся в поле Адрес полу-

чателя заголовка дейтаграммы (пятое слово). Адрес получателя - это стан-

дартный 32-битный адрес, которого достаточно для однозначного определе-

ния сети и узла в этой сети.

Структура адреса

Адрес IP содержит раздел сети и раздел узла, но форматы этих разделов не

одинаковы для всех IP-адресов. Число бит адреса, отведенное под обозначе-

ние сети, и, соответственно, число бит, отведенное под обозначение узла, из-

меняются в зависимости от длины префикса адреса. Длина префикса опре-

деляется битовой маской адреса.

Адресная маска работает следующим образом: если бит маски включен, со-

ответствующий ему бит адреса входит в раздел адреса сети, а если бит маски

сброшен, соответствующий бит адреса входит в раздел адреса узла. Напри-

мер, для комбинации адреса 172.22.12.4 и сетевой маски 255.255.255.0, в

которой включено 24 бита и сброшено 8 бит, первые 24 бита адреса представ-

ляют номер сети, а последние 8 бит - адрес узла. Сочетание адреса и маски

позволяет определить, что речь идет об адресе узла 4 сети 172.22.12.

Указывать одновременно адрес и маску в десятичном представлении через

точку не очень удобно, поэтому есть сокращенное представление. Вместо за-

писи «сеть 172.31.26.32 с маской 255.255.255.224» можно писать просто

172.31.26.32/27. Представление имеет формат адрес/длина_префикса, где

длина_префикса - число бит в разделе сети адреса. В отсутствие подобной запи-

си существует большая вероятность, что адрес 172.31.26.32 будет интерпре-

тирован неверно.

Организации, как правило, получают официальные адреса IP, покупая бло-

ки адресов у поставщиков интернет-услуг. Одна организация обычно получа-

ет непрерывный блок адресов, соответствующий ее нуждам. Например, пред-

приятие среднего размера может заказать блок адресов 192.168.16.0/20, тог-

да как маленькая организация ограничится блоком 192.168.32.0/24. По-

скольку префикс определяет длину сетевой части адреса, количество адресов

узлов, которые могут использоваться организацией (раздел адресов узлов)

определяется вычитанием префикса из общего числа бит адреса (32). Таким

образом, префикс 20 оставляет 12 бит для локального назначения адресов.

Адрес IP

Такой блок адресов называют 12-битовым. Префикс 24 создает 8-битовый

блок. Первый из блоков примера, 12-битовый, содержит 4096 адресов ди-

апазона от 192.168.16.0 до 192.168.31.255, а второй, 8-битовый, содержит

256 адресов от 192.168.32.0 до 192.168.32.255.

Каждый из этих блоков адресов для внешнего мира является одним «сете-

вым» адресом. Внешние маршрутизаторы хранят лишь один маршрут к бло-

ку 192.168.16.0/20 и один маршрут к блоку 192.168.32.0/24 независимо от

реальных размеров этих адресных блоков. При этом внутри организации мо-

жет существовать целый ряд физических сетей, объединяемых одним адрес-

ным блоком. Гибкость адресных масок позволяет поставщикам услуг выде-

лять своим клиентам блоки адресов произвольной длины, а клиентам вы-

полнять дальнейшее деление адресных блоков посредством префиксов раз-

личной длины.

Подсети

Структура адреса IP может изменяться на местах путем использования от-

дельных битов адреса узла в качестве дополнительных битов сетевого адре-

са. По сути дела изменяется расположение «границы» между битами адреса

сети и битами адреса узла, что позволяет создавать дополнительные сети, но

сокращает максимальное число адресов, допустимое для каждой сети. Эти

дополнительные биты сети определяют в пределах родительского адресного

блока другие блоки адресов, которые носят название подсетей.

В организациях подсети применяются, как правило, для разрешения топо-

логических или организационных сложностей. Образование подсетей позво-

ляет децентрализовать управление адресацией узлов. В случае стандартной

схемы адресации один администратор отвечает за управление адресами уз-

лов всей сети. Образование подсетей дает администратору возможность де-

легировать вопросы назначения адресов более мелким подразделениям орга-

низации, что может быть не только технической, но и политической необхо-

димостью. Так, чтобы не иметь дел с отделом обработки данных, можно пе-

редать в ведение этого отдела самостоятельную подсеть.

Кроме того, подсети могут применяться в целях преодоления аппаратных

различий и ограничений, накладываемых расстояниями. IP-маршрутизато-

ры способны связывать сети различного физического характера, но лишь в

том случае, если каждой физической сети соответствует уникальный сете-

вой адрес. Образование подсетей - это разделение адресного блока на ряд

уникальных адресов подсетей, так что каждая физическая сеть вполне мо-

жет получить собственный уникальный адрес.

Подсеть создается изменением битовой маски IP-адреса. Маска подсети ра-

ботает идентично обычной адресной маске: включенные биты интерпрети-

руются в качестве битов адреса сети, а сброшенные принадлежат к разделу

адреса узла. Различие состоит в том, что маски подсетей применяются лишь

локально. Внешний мир по-прежнему интерпретирует адрес на основе из-

вестной ему маски.

Глава 2. Доставка данных

Допустим, что есть небольшая компания, занимающаяся куплей-продажей

недвижимости. Компании назначен блок адресов 192.168.32.0/24. Этому

блоку соответствует битовая маска 255.255.255.0, и он содержит 256 адре-

сов. Далее, предположим, что у компании есть 10 офисов и порядка 6 ком-

пьютеров в каждом. Необходимо выделить ряд адресов на каждый офис, за-

резервировав часть из них на случай расширения. Блок из 256 адресов мож-

но разделить на части при помощи маски подсети, расширив раздел адреса

сети еще на несколько бит.

Чтобы разделить 192.168.32.0/24 на 16 подсетей, воспользуемся маской

255.255.255.240, то есть 192.168.32.0/28. Первые три байта содержат ис-

ходный адресный блок сети, четвертый состоит из адреса подсети и адреса уз-

ла в этой подсети. Выбранная маска предписывает использовать четыре стар-

ших бита четвертого байта в качестве раздела адреса подсети, а еще четыре

бита - последние четыре бита четвертого байта - в качестве раздела адреса уз-

ла. Таким образом, мы получаем 16 подсетей, в каждой из которых существу-

ет 14 адресов узлов, что больше соответствует топологии сети нашей неболь-

шой торговой компании. В табл. 2.1 перечислены подсети и адреса узлов,

полученные посредством маски подсети для адреса сети 192.168.32.0/24.

Таблица 2.1. Действие маски подсети

Первая строка таблицы описывает подсеть с нулевым номером (первые че-

тыре бита четвертого байта сброшены). Последняя строка описывает подсеть

Адрес IP

с номером подсети, состоящим из единиц (первые четыре бита четвертого

байта включены). Изначально документы RFC предполагали, что не следует

применять номера подсетей, состоящие только из нулей или единиц. Однако

из RFC 1812, Requirements for IP Version 4 Routers (Требования к маршрути-

заторам IP версии 4), ясно следует, что применение таких подсетей совер-

шенно законно и должно поддерживаться всеми маршрутизаторами. Неко-

торые из более старых маршрутизаторов не позволяли использовать такие

адреса, несмотря на появление обновленных RFC. Современное программ-

ное и аппаратное обеспечение маршрутизаторов позволяет без проблем ис-

пользовать любые адреса подсетей.

Нет необходимости вручную составлять таблицы, подобные приведенной,

чтобы узнать, какие подсети и адреса узлов получаются в результате приме-

нения маски подсети. Все необходимые вычисления уже сделаны. Все воз-

можные маски подсетей и допустимые для них адреса узлов перечислены в

документе RFC 1878, Variable Length Subnet Table For IPv4 (Таблица подсе-

тей различной емкости для IPv4).

В RFC 1878 описаны все 32 значения префикса. При этом особой потребнос-

ти в документации не возникает, поскольку правила для префиксов легко

понять и запомнить. Запись адреса 10.104.0.19 в виде 10.104.0.19/8 пока-

зывает, что 8 бит адреса отведены под номер сети, и, следовательно, под но-

мер узла остается 24 бита. К сожалению, не всегда все так гладко. Иногда

маска адреса не указана явным образом, и в таких случаях необходимо

уметь определить естественную маску, которая присваивается адресу по

умолчанию.

Естественная маска

Изначально адресное пространство IP делилось на ряд структур фиксиро-

ванной длины, известных в качестве классов адресов. Основных классов ад-

ресов было три - класс А, класс В и класс С. Программы IP определяли

класс, а следовательно, и структуру адреса по его первым битам. Адресные

классы вышли из употребления, но правила, применявшиеся для определе-

ния классов, в настоящее время используются для создания умолчаний ад-

ресных масок, называемых естественными масками. Правила следующие:

• Если первый бит IP-адреса сброшен, маска по умолчанию имеет длину

8 бйт (префикс 8), что соответствует формату адреса сети прежнего клас-

са А. Первые 8 бит определяют сеть, последние 24 бита определяют узел

сети.

• Если первые два бита адреса имеют значения 1 0, длина маски по умолча-

нию - 16 бит (префикс 16), что соответствует формату адреса сети прежне-

го класса В. Первые 16 бит определяют сеть, последние 16 бит - узел сети.

• Если первые три бита адреса имеют значения 110, длина маски по

умолчанию - 24 бита (префикс 24), что соответствует формату адреса сети

прежнего класса С. Первые 24 бита определяют сеть, последние 8 бит

определяют узел.

50 Глава 2. Доставка данных

• Если первые четыре бита адреса принимают значения 1110, адрес явля-

ется групповым. Такие адреса иногда называли адресами класса D, но в

действительности они не связаны с конкретными сетями. Групповые ад-

реса используются для одновременного обращения к нескольким ком-

пьютерам. Они обозначают группы компьютеров, совместно использую-

щих определенное приложение (скажем, для проведения видеоконферен-

ций), но не группы компьютеров, входящих в одну сеть. Каждый бит

группового адреса имеет значение для маршрутизации, поэтому маска по

умолчанию имеет длину 32 бита (префикс 32).

Когда адрес IP записывается в десятичном представлении через точку, удоб-

нее бывает считать его набором 8-битных байтов, а не 32-битным значением.

Когда речь идет о естественных масках, адрес также можно рассматривать

как комбинацию цельных байтов адреса сети и адреса узла, поскольку три

маски по умолчанию создают префиксы, битовые длины которых кратны

числу 8. Простой способ определить маску по умолчанию - взглянуть на

первый байт адреса. Если значение первого байта:

• меньше 128, маска по умолчанию имеет длину 8 бит; первый байт пред-

ставляет номер сети, а три следующих байта - адрес узла;

• от 128 до 191, маска по умолчанию имеет длину 16 бит; два первых байта

определяют сеть, два последних - узел сети;

• от 192 до 223, маска по умолчанию имеет длину 24 бита; три первых бай-

та определяют адрес сети, а последний байт - номер узла;

• от 224 до 239, адрес является групповым. Весь адрес отведен под иденти-

фикацию группы машин; таким образом, длина маски по умолчанию -

32 бита;

• больше 239, адрес зарезервирован. Зарезервированные адреса интереса

для нас не представляют.

Рисунок 2.2 иллюстрирует два метода определения структуры адреса по

умолчанию. Первый адрес - 10.104.0.19. Первый бит данного адреса имеет

значение 0; следовательно, первые 8 бит определяют сеть, а последние 24 би-

та определяют узел. Если говорить в терминах байтов, значение первого бай-

та меньше 128, поэтому адрес интерпретируется как адрес узла 104.0.19 сети

с номером 10. Один байт определяет сеть, три байта определяют узел.

Второй адрес - 172.16.12.1. Два старших бита имеют значения 1 иО, значит,

16 бит определяют сеть и еще 16 бит определяют узел. В терминах байтов:

первый байт имеет значение от 128 до 191, поэтому речь идет об адресе узла

12.1 сети 172.16. Два байта определяют сеть, а еще два - узел сети.

Наконец, в адресе 192.168.16.1 три старших бита имеют значения 1, 1 и 0,

значит, сеть представлена 24 битами, а еще 8 бит обозначают узел. Первый

байт адреса имеет значение от 192 до 223, поэтому речь идет об адресе узла 1

сети 192.168.16; три байта определяют сеть, один байт определяет узел.

Интерпретация адресов согласно приведенным правилам для классов ограни-

чивает длины номеров сетей значениями 8, 16 или 24 бита -1,2 или 3 байта.

Адрес IP

Рис. 2.2. Форматы адресов IP по умолчанию

Однако в действительности IP-адрес образуют не байты, а 32 последователь-

ных бита. Битовая маска адреса обеспечивает гибкий способ задания разме-

ров разделов узла и сети в адресе. Протокол Internet использует раздел сети

адреса для маршрутизации дейтаграмм между сетями. Полный адрес, вклю-

чающий данные об узле, используется для обозначения конкретного узла.

Такая двойственная роль адресов IP не только делает адресные маски сред-

ством более эффективного распределения адресов, но и позволяет им поло-

жительно влиять на маршрутизацию.

Блоки CIDR и объединение маршрутов

Одной из сильных сторон семейства протоколов TCP/IP являются IP-адреса,

то есть универсальная схема адресации для сетей, составляющих Интернет.

Тем не менее изначальная структура классов IP-адресов имела недостатки.

Архитекторы TCP/IP не предвидели поразительных масштабов современной

сети - во время разработки TCP/IP сети были привилегией организаций,

достаточно обеспеченных для покупки солидных компьютерных систем.

Никто и подумать не мог, что мощные машины под управлением системы

Unix появятся на рабочих столах пользователей. На тот момент 32-битный

адрес казался столь вместительным, что его разделили на классы, чтобы