Протокол IP. Использование протоколов Интернета в IP-телефонии

Основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет протокол межсетевого взаимодействия - Internet Protocol (IP). К основным функциям протокола IP относятся:

перенос между сетями различных типов адресной информации в унифицированной форме,
сборка и разборка пакетов при передаче их между сетями с различным максимальным значением длины пакета.

Формат пакета IP

Пакет IP состоит из заголовка и поля данных. Заголовок пакета имеет следующие поля:

Поле Номер версии (VERS) указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 и готовится переход на версию 6, называемую также IPng (IP next generation).
Поле Длина заголовка (HLEN) пакета IP занимает 4 бита и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт в поле Резерв (IP OPTIONS).
Поле Тип сервиса (SERVICE TYPE) занимает 1 байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (PRECEDENCE). Приоритет может иметь значения от 0 (нормальный пакет) до 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит T - для максимизации пропускной способности, а бит R - для максимизации надежности доставки.
Поле Общая длина (TOTAL LENGTH) занимает 2 байта и указывает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных.
Поле Идентификатор пакета (IDENTIFICATION) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.
Поле Флаги (FLAGS) занимает 3 бита, оно указывает на возможность фрагментации пакета (установленный бит Do not Fragment - DF - запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет), а также на то, является ли данный пакет промежуточным или последним фрагментом исходного пакета (установленный бит More Fragments - MF - говорит о том пакет переносит промежуточный фрагмент).
Поле Смещение фрагмента (FRAGMENT OFFSET) занимает 13 бит, оно используется для указания в байтах смещения поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами максимальной длины пакета.
Поле Время жизни (TIME TO LIVE) занимает 1 байт и указывает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи средствами протокола IP. На шлюзах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается также при каждой транзитной передаче (даже если не прошла секунда). При истечении времени жизни пакет аннулируется.
Идентификатор Протокола верхнего уровня (PROTOCOL) занимает 1 байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет (например, это могут быть протоколы TCP, UDP или RIP).
Контрольная сумма (HEADER CHECKSUM) занимает 2 байта, она рассчитывается по всему заголовку.
Поля Адрес источника (SOURCE IP ADDRESS) и Адрес назначения (DESTINATION IP ADDRESS) имеют одинаковую длину - 32 бита, и одинаковую структуру.
Поле Резерв (IP OPTIONS) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Резерв должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Максимальная длина поля данных пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65535 байтов, однако при передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байтов, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet.

Управление фрагментацией

Протоколы транспортного уровня (протоколы TCP или UDP), пользующиеся сетевым уровнем для отправки пакетов, считают, что максимальный размер поля данных IP-пакета равен 65535, и поэтому могут передать ему сообщение такой длины для транспортировки через интерсеть. В функции уровня IP входит разбиение слишком длинного для конкретного типа составляющей сети сообщения на более короткие пакеты с созданием соответствующих служебных полей, нужных для последующей сборки фрагментов в исходное сообщение.

В большинстве типов локальных и глобальных сетей определяется такое понятие как максимальный размер поля данных кадра или пакета, в которые должен инкапсулировать свой пакет протокол IP. Эту величину обычно называют максимальной единицей транспортировки - Maximum Transfer Unit, MTU . Сети Ethernet имеют значение MTU, равное 1500 байт, сети FDDI - 4096 байт, а сети Х.25 чаще всего работают с MTU в 128 байт.

Работа протокола IP по фрагментации пакетов в хостах и маршрутизаторах иллюстрируется рисунком 4.1.

Пусть компьютер 1 связан с сетью, имеющей значение MTU в 4096 байтов, например, с сетью FDDI. При поступлении на IP-уровень компьютера 1 сообщения от транспортного уровня размером в 5600 байтов, протокол IP делит его на два IP-пакета, устанавливая в первом пакете признак фрагментации и присваивая пакету уникальный идентификатор, например, 486. В первом пакете величина поля смещения равна 0, а во втором - 2800. Признак фрагментации во втором пакете равен нулю, что показывает, что это последний фрагмент пакета. Общая величина IP-пакета составляет 2800+20 (размер заголовка IP), то есть 2820 байтов, что умещается в поле данных кадра FDDI.

Рис. 4.1. Фрагментация IP-пакетов при передаче между сетями с разными
максимальными размерами пакетов. К1 и Ф1 канальный и физический уровень сети 1,
К2 и Ф2 канальный и физический уровень сети 2

Маршрутизатор видит по сетевому адресу, что прибывшие два пакета нужно передать в сеть 2, которая имеет меньшее значение MTU, равное 1500. Вероятно, это сеть Ethernet. Маршрутизатор извлекает фрагмент транспортного сообщения из каждого пакета FDDI и делит его еще пополам, чтобы каждая часть уместилась в поле данных кадра Ethernet. Затем он формирует новые пакеты IP, каждый из которых имеет длину 1400 + 20 = 1420 байтов, что меньше 1500 байтов, поэтому они нормально помещаются в поле данных кадров Ethernet.

В результате в компьютер 2 по сети Ethernet приходит четыре IP-пакета с общим идентификатором 486, что позволяет протоколу IP, работающему в компьютере 2, правильно собрать исходное сообщение. Если пакеты пришли не в том порядке, в котором были посланы, то смещение укажет правильный порядок их объединения.

Отметим, что IP-маршрутизаторы не собирают фрагменты пакетов в более крупные пакеты, даже если на пути встречается сеть, допускающая такое укрупнение. Это связано с тем, что отдельные фрагменты сообщения могут перемещаться по интерсети по различным маршрутам, поэтому нет гарантии, что все фрагменты проходят через какой-либо промежуточный маршрутизатор на их пути.

При приходе первого фрагмента пакета узел назначения запускает таймер, который определяет максимально допустимое время ожидания прихода остальных фрагментов этого пакета. Если таймер истекает раньше прибытия последнего фрагмента, то все полученные к этому моменту фрагменты пакета отбрасываются, а в узел, пославший исходный пакет, направляется сообщение об ошибке с помощью протокола ICMP.

Маршрутизация с помощью IP-адресов

Рассмотрим теперь принципы, на основании которых в сетях IP происходит выбор маршрута передачи пакета между сетями.

Сначала необходимо обратить внимание на тот факт, что не только маршрутизаторы, но и конечные узлы - компьютеры - должны принимать участие в выборе маршрута. Пример, приведенный на рисунке 4.2, демонстрирует эту необходимость. Здесь в локальной сети имеется несколько маршрутизаторов, и компьютер должен выбирать, какому из них следует отправить пакет.

Рис. 4.2. Выбор маршрутизатора конечным узлом

Длина маршрута может существенно измениться в зависимости от того, какой маршрутизатор выберет компьютер для передачи своего пакета на сервер, расположенный, например, в Германии, если маршрутизатор 1 соединен выделенной линией с маршрутизатором в Копенгагене, а маршрутизатор 2 имеет спутниковый канал, соединяющий его с Токио.

В стеке TCP/IP маршрутизаторы и конечные узлы принимают решения о том, кому передавать пакет для его успешной доставки узлу назначения, на основании так называемых таблиц маршрутизации (routing tables).

Следующая таблица представляет собой типичный пример таблицы маршрутов, использующей IP-адреса сетей:

Адрес сети назначения	Адрес следующего маршрутизатора	Номер выходного порта	Расстояние до сети назначения
56.0.0.0	198.21.17.7	1	20
56.0.0.0	213.34.12.4.	2	130
116.0.0.0	213.34.12.4	2	1450
129.13.0.0	198.21.17.6	1	50
198.21.17.0	-	2	0
213. 34.12.0	-	1	0
default	198.21.17.7	1	-

В этой таблице в столбце "Адрес сети назначения" указываются адреса всех сетей, которым данный маршрутизатор может передавать пакеты. В стеке TCP/IP принят так называемый одношаговый подход к оптимизации маршрута продвижения пакета (next-hop routing) - каждый маршрутизатор и конечный узел принимает участие в выборе только одного шага передачи пакета. Поэтому в каждой строке таблицы маршрутизации указывается не весь маршрут в виде последовательности IP-адресов маршрутизаторов, через которые должен пройти пакет, а только один IP-адрес - адрес следующего маршрутизатора, которому нужно передать пакет. Вместе с пакетом следующему маршрутизатору передается ответственность за выбор следующего шага маршрутизации. Одношаговый подход к маршрутизации означает распределенное решение задачи выбора маршрута. Это снимает ограничение на максимальное количество транзитных маршрутизаторов на пути пакета.

(Альтернативой одношаговому подходу является указание в пакете всей последовательности маршрутизаторов, которые пакет должен пройти на своем пути. Такой подход называется маршрутизацией от источника - Source Routing. В этом случае выбор маршрута производится конечным узлом или первым маршрутизатором на пути пакета, а все остальные маршрутизаторы только отрабатывают выбранный маршрут, осуществляя коммутацию пакетов, то есть передачу их с одного порта на другой. Алгоритм Source Routing применяется в сетях IP только для отладки, когда маршрут задается в поле Резерв (IP OPTIONS) пакета.)

В случае, если в таблице маршрутов имеется более одной строки, соответствующей одному и тому же адресу сети назначения, то при принятии решения о передаче пакета используется та строка, в которой указано наименьшее значение в поле "Расстояние до сети назначения".

При этом под расстоянием понимается любая метрика, используемая в соответствии с заданным в сетевом пакете классом сервиса. Это может быть количество транзитных маршрутизаторов в данном маршруте (количество хопов от hop - прыжок), время прохождения пакета по линиям связи, надежность линий связи, или другая величина, отражающая качество данного маршрута по отношению к конкретному классу сервиса. Если маршрутизатор поддерживает несколько классов сервиса пакетов, то таблица маршрутов составляется и применяется отдельно для каждого вида сервиса (критерия выбора маршрута).

Для отправки пакета следующему маршрутизатору требуется знание его локального адреса, но в стеке TCP/IP в таблицах маршрутизации принято использование только IP-адресов для сохранения их универсального формата, не зависящего от типа сетей, входящих в интерсеть. Для нахождения локального адреса по известному IP-адресу необходимо воспользоваться протоколом ARP.

Конечный узел, как и маршрутизатор, имеет в своем распоряжении таблицу маршрутов унифицированного формата и на основании ее данных принимает решение, какому маршрутизатору нужно передавать пакет для сети N. Решение о том, что этот пакет нужно вообще маршрутизировать, компьютер принимает в том случае, когда он видит, что адрес сети назначения пакета отличается от адреса его собственной сети (каждому компьютеру при конфигурировании администратор присваивает его IP-адрес или несколько IP-адресов, если компьютер одновременно подключен к нескольким сетям). Когда компьютер выбрал следующий маршрутизатор, то он просматривают кэш-таблицу адресов своего протокола ARP и, может быть, находит там соответствие IP-адреса следующего маршрутизатора его MAC-адресу. Если же нет, то по локальной сети передается широковещательный ARP-запрос и локальный адрес извлекается из ARP-ответа.

После этого компьютер формирует кадр протокола, используемого на выбранном порту, например, кадр Ethernet, в который помещает МАС-адрес маршрутизатора. Маршрутизатор принимает кадр Ethernet, извлекает из него пакет IP и просматривает свою таблицу маршрутизации для нахождения следующего маршрутизатора. При этом он выполняет те же действия, что и конечный узел.

Одношаговая маршрутизация обладает еще одним преимуществом - она позволяет сократить объем таблиц маршрутизации в конечных узлах и маршрутизаторах за счет использования в качестве номера сети назначения так называемого маршрута по умолчанию - default, который обычно занимает в таблице маршрутизации последнюю строку. Если в таблице маршрутизации есть такая запись, то все пакеты с номерами сетей, которые отсутствуют в таблице маршрутизации, передаются маршрутизатору, указанному в строке default . Поэтому маршрутизаторы часто хранят в своих таблицах ограниченную информацию о сетях интерсети, пересылая пакеты для остальных сетей в порт и маршрутизатор, используемые по умолчанию. Подразумевается, что маршрутизатор, используемый по умолчанию, передаст пакет на магистральную сеть, а маршрутизаторы, подключенные к магистрали, имеют полную информацию о составе интерсети.

Особенно часто приемом маршрутизации по умолчанию пользуются конечные узлы. Хотя они также в общем случае имеют в своем распоряжении таблицу маршрутизации, ее объем обычно незначителен, так как маршрутизация для компьютера - не основное занятие. Главная роль в маршрутизации пакетов в концепции протокола IP отводится, естественно, маршрутизаторам, которые должны обладать гораздо более полными таблицами маршрутизации, чем конечные узлы. Конечный узел часто вообще работает без таблицы маршрутизации, имея только сведения об IP-адресе маршрутизатора по умолчанию. При наличии одного маршрутизатора в локальной сети этот вариант - единственно возможный для всех конечных узлов. Но даже при наличии нескольких маршрутизаторов в локальной сети, когда проблема их выбора стоит перед конечным узлом, задание маршрута по умолчанию часто используется в компьютерах для сокращения объема их маршрутной таблицы.

Другим способом разгрузки компьютера от необходимости ведения больших таблиц маршрутизации является получение от маршрутизатора сведений о рациональном маршруте для какой-нибудь конкретной сети с помощью протокола ICMP.

Кроме маршрута default, в таблице маршрутизации могут встретиться два типа специальных записей - запись о специфичном для узла маршруте и запись об адресах сетей, непосредственно подключенных к портам маршрутизатора.

Специфичный для узла маршрут содержит вместо номера сети полный IP-адрес, то есть адрес, имеющий ненулевую информацию не только в поле номера сети, но и в поле номера узла. Предполагается, что для такого конечного узла маршрут должен выбираться не так, как для всех остальных узлов сети, к которой он относится. В случае, когда в таблице есть разные записи о продвижении пакетов для всей сети N и ее отдельного узла, имеющего адрес N,D, при поступлении пакета, адресованного узлу N,D, маршрутизатор отдаст предпочтение записи для N,D.

Записи в таблице маршрутизации, относящиеся к сетям, непосредственно подключенным к маршрутизатору, в поле "Расстояние до сети назначения" содержат нули.

Еще одним отличием работы маршрутизатора и конечного узла при выборе маршрута является способ построения таблицы маршрутизации. Если маршрутизаторы обычно автоматически создают таблицы маршрутизации, обмениваясь служебной информацией, то для конечных узлов таблицы маршрутизации создаются, как правило, вручную администраторами, и хранятся в виде постоянных файлов на дисках.

Существуют различные алгоритмы построения таблиц для одношаговой маршрутизации. Их можно разделить на три класса:

алгоритмы фиксированной маршрутизации,
алгоритмы простой маршрутизации,
алгоритмы адаптивной маршрутизации.

Независимо от алгоритма, используемого для построения таблицы маршрутизации, результат их работы имеет единый формат. За счет этого в одной и той же сети различные узлы могут строить таблицы маршрутизации по своим алгоритмам, а затем обмениваться между собой недостающими данными, так как форматы этих таблиц фиксированы. Поэтому маршрутизатор, работающий по алгоритму адаптивной маршрутизации, может снабдить конечный узел, применяющий алгоритм фиксированной маршрутизации, сведениями о пути к сети, о которой конечный узел ничего не знает.

Фиксированная маршрутизация

Этот алгоритм применяется в сетях с простой топологией связей и основан на ручном составлении таблицы маршрутизации администратором сети. Алгоритм часто эффективно работает также для магистралей крупных сетей, так как сама магистраль может иметь простую структуру с очевидными наилучшими путями следования пакетов в подсети, присоединенные к магистрали.

Различают одномаршрутные таблицы, в которых для каждого адресата задан один путь, и многомаршрутные таблицы, определяющие несколько альтернативных путей для каждого адресата. При использовании многомаршрутных таблиц должно быть задано правило выбора одного из них. Чаще всего один путь является основным, а остальные - резервными.

Простая маршрутизация

Алгоритмы простой маршрутизации подразделяются на три подкласса:

Случайная маршрутизация - пакеты передаются в любом, случайном направлении, кроме исходного.
Лавинная маршрутизация - пакеты передаются во всех направлениях, кроме исходного (применяется в мостах для пакетов с неизвестным адресом доставки).
Маршрутизация по предыдущему опыту - таблицы маршрутов составляются на основании данных, содержащихся в проходящих через маршрутизатор пакетах. Именно так работают прозрачные мосты, собирая сведения об адресах узлов, входящих в сегменты сети. Такой способ маршрутизации обладает медленной адаптируемостью к изменениям топологии сети.

Адаптивная маршрутизация

Это основной вид алгоритмов маршрутизации, применяющихся маршрутизаторами в современных сетях со сложной топологией. Адаптивная маршрутизация основана на том, что маршрутизаторы периодически обмениваются специальной топологической информацией об имеющихся в интерсети сетях, а также о связях между маршрутизаторами. Обычно учитывается не только топология связей, но и их пропускная способность и состояние.

Адаптивные протоколы позволяют всем маршрутизаторам собирать информацию о топологии связей в сети, оперативно отрабатывая все изменения конфигурации связей. Эти протоколы имеют распределенный характер, который выражается в том, что в сети отсутствуют какие-либо выделенные маршрутизаторы, которые бы собирали и обобщали топологическую информацию: эта работа распределена между всеми маршрутизаторами.

Пример взаимодействия узлов с использованием протокола IP

Рассмотрим на примере интерсети, приведенной на рисунке 4.3, каким образом происходит взаимодействие компьютеров через маршрутизаторы и доставка пакетов компьютеру назначения.

Рис. 4.3. Пример взаимодействия компьютеров через интерсеть

Пусть в приведенном примере пользователь компьютера cit.dol.ru, находящийся в сети Ethernet с IP-адресом 194.87.23.0 (адрес класса С), хочет взаимодействовать по протоколу FTP с компьютером s1.msk.su, принадлежащем сети Ethernet с IP-адресом 142.06.0.0 (адрес класса В). Компьютер cit.dol.ru имеет IP-адрес 194.87.23.1.17, а компьютер s1.msk.su - IP-адрес 142.06.13.14.

1. Пользователь компьютера cit.dol.ru знает символьное имя компьютера s1.msk.su, но не знает его IP-адреса, поэтому он набирает команду

> ftp s1.msk.su

для организации ftp-сеанса.

В компьютере cit.dol.ru должны быть заданы некоторые параметры для стека TCP/IP, чтобы он мог выполнить поставленную перед ним задачу.

В число этих параметров должны входить собственный IP-адрес, IP-адрес DNS-сервера и IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. Так как к сети Ethernet, к которой относится компьютер cit.dol.ru, подключен только один маршрутизатор, то таблица маршрутизации конечным узлам этой сети не нужна, достаточно знать IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. В данном примере он равен 194.87.23.1.

Так как пользователь в команде ftp не задал IP-адрес узла, с которым он хочет взаимодействовать, то стек TCP/IP должен определить его самостоятельно. Он может сделать запрос к серверу DNS по имеющемуся у него IP-адресу, но обычно каждый компьютер сначала просматривает свою собственную таблицу соответствия символьных имен и IP-адресов. Такая таблица хранится чаще всего в виде текстового файла простой структуры - каждая его строка содержит запись об одном символьном имени и его IP-адресе. В ОС Unix такой файл традиционно носит имя HOSTS.

142.06.13.14 s1.msk.su.

Поэтому разрешение имени выполняется локально, так что протокол IP может теперь формировать IP-пакеты с адресом назначения 142.06.13.14 для взаимодействия с компьютером s1.msk.su.

3. Протокол IP компьютера cit.dol.ru проверяет, нужно ли маршрутизировать пакеты для адреса 142.06.13.14. Так как адрес сети назначения равен 142.06.0.0, а адрес сети, к которой принадлежит компьютер, равен 194.87.23.0, то маршрутизация необходима.

4. Компьютер cit.dol.ru начинает формировать кадр Ethernet для отправки IP-пакета маршрутизатору по умолчанию с IP-адресом 194.87.23.1. Для этого ему нужен МАС-адрес порта маршрутизатора, подключенного к его сети. Этот адрес скорее всего уже находится в кэш-таблице протокола ARP компьютера, если он хотя бы раз за последнее включение обменивался данными с компьютерами других сетей. Пусть этот адрес в нашем примере был найден именно в кэш-памяти. Обозначим его МАС 11 , в соответствии с номером маршрутизатора и его порта.

5. В результате компьютер cit.dol.ru отправляет по локальной сети кадр Ethernet, имеющий следующие поля:

DA (Ethernet)																															...																							DESTINATION IP																																								...																				...
МАС 11																																																						142.06.13.14

6. Кадр принимается портом 1 маршрутизатора 1 в соответствии с протоколом Ethernet, так как МАС-узел этого порта распознает свой адрес МАС 11 . Протокол Ethernet извлекает из этого кадра IP-пакет и передает его программному обеспечению маршрутизатора, реализующему протокол IP. Протокол IP извлекает из пакета адрес назначения и просматривает записи своей таблицы маршрутизации. Пусть маршрутизатор 1 имеет в своей таблице маршрутизации запись

142.06.0.0 135.12.0.11 2 1,

которая говорит о том, что пакеты для сети 142.06. 0.0 нужно передавать маршрутизатору 135.12.0.11, подключенному к той же сети, что и порт 2 маршрутизатора 1.

7. Маршрутизатор 1 просматривает параметры порта 2 и находит, что он подключен к сети FDDI. Так как сеть FDDI имеет значение максимального транспортируемого блока MTU больше, чем сеть Ethernet, то фрагментация поля данных IP-пакета не требуется. Поэтому маршрутизатор 1 формирует кадр формата FDDI, в котором указывает MAC-адрес порта маршрутизатора 2, который он находит в своей кэш-таблице протокола ARP:

9. Наконец, после того, как пакет поступил в маршрутизатор сети назначения - маршрутизатор 3, появляется возможность передачи этого пакета компьютеру назначения. Маршрутизатор 3 видит, что пакет нужно передать в сеть 142.06.0.0, которая непосредственно подключена к его первому порту. Поэтому он посылает ARP-запрос по сети Ethernet c IP-адресом компьютера s1.msk.su (считаем, что этой информации в его кэше нет), получает ответ, содержащий адрес MAC s1 , и формирует кадр Ethernet, доставляющий IP-пакет по локальной сети адресату.

DA (Ethernet)																															...																									DESTINATION IP																																								...																						...
МАС s1																																																								142.06.13.14

Структуризация сетей IP с помощью масок

Часто администраторы сетей испытывают неудобства, из-за того, что количество централизовано выделенных им номеров сетей недостаточно для того, чтобы структурировать сеть надлежащим образом, например, разместить все слабо взаимодействующие компьютеры по разным сетям.

В такой ситуации возможны два пути. Первый из них связан с получением от NIC дополнительных номеров сетей. Второй способ, употребляющийся более часто, связан с использованием так называемых масок , которые позволяют разделять одну сеть на несколько сетей.

Маска - это число, двоичная запись которого содержит единицы в тех разрядах, которые должны интерпретироваться как номер сети.

Например, для стандартных классов сетей маски имеют следующие значения:

255.0.0.0 - маска для сети класса А,

255.255.0.0 - маска для сети класса В,

255.255.255.0 - маска для сети класса С.

В масках, которые использует администратор для увеличения числа сетей, количество единиц в последовательности, определяющей границу номера сети, не обязательно должно быть кратным 8, чтобы повторять деление адреса на байты.

Пусть, например, маска имеет значение 255.255.192.0 (11111111 11111111 11000000 00000000). И пусть сеть имеет номер 129.44.0.0 (10000001 00101100 00000000 00000000), из которого видно, что она относится к классу В. После наложения маски на этот адрес число разрядов, интерпретируемых как номер сети, увеличилось с 16 до 18, то есть администратор получил возможность использовать вместо одного, централизованно заданного ему номера сети, четыре:

129.44.0.0 (10000001 00101100 00000000 00000000)

129.44.64.0 (10000001 00101100 01000000 00000000)

129.44.128.0 (10000001 00101100 10000000 00000000)

129.44.192.0 (10000001 00101100 11000000 00000000)

Например, IP-адрес 129.44.141.15 (10000001 00101100 10001101 00001111), который по стандартам IP задает номер сети 129.44.0.0 и номер узла 0.0.141.15, теперь, при использовании маски, будет интерпретироваться как пара:

129.44.128.0 - номер сети, 0.0. 13.15 - номер узла.

Таким образом, установив новое значение маски, можно заставить маршрутизатор по-другому интерпретировать IP-адрес. При этом два дополнительных последних бита номера сети часто интерпретируются как номера подсетей.

Еще один пример. Пусть некоторая сеть относится к классу В и имеет адрес 128.10.0.0 (рисунок 4.4).Этот адрес используется маршрутизатором, соединяющим сеть с остальной частью интерсети. И пусть среди всех станций сети есть станции, слабо взаимодействующие между собой. Их желательно было бы изолировать в разных сетях. Для этого сеть можно разделить на две сети, подключив их к соответствующим портам маршрутизатора, и задать для этих портов в качестве маски, например, число 255.255.255.0, то есть организовать внутри исходной сети с централизовано заданным номером две подсети класса C (можно было бы выбрать и другой размер для поля адреса подсети). Извне сеть по-прежнему будет выглядеть, как единая сеть класса В, а на местном уровне это будут две отдельные сети класса С. Приходящий общий трафик будет разделяться местным маршрутизатором между подсетями.

Рис. 4.4. Пример использования масок для структурирования сети

Необходимо заметить, что, если принимается решение об использовании механизма масок, то соответствующим образом должны быть сконфигурированы и маршрутизаторы, и компьютеры сети.

IP (internet protocol - межсетевой протокол) - маршрутизируемый сетевой протокол, протокол сетевого уровня семейства («стека») TCP/IP. IPv4 описан в RFC 791 (сентябрь 1981 года).

Основные положения:

IP - основной протокол стека TCP/IP, он решает вопросы доставки сообщений между узлами составной сети.

IP является дейтаграммным протоколом: при передаче информации по протоколу IP каждый пакет передается от узла к узлу и обрабатывается в узлах независимо от других пакетов.

IP относится к протоколам без установки соединений. IP используется для негарантированной доставки данных, разделяемых на так называемые пакеты от одного узла сети к другому. Это означает, что на уровне этого протокола (третий уровень сетевой модели OSI) не даётся гарантий надёжной доставки пакета до адресата. В частности, пакеты могут прийти не в том порядке, в котором были отправлены, продублироваться (когда приходят две копии одного пакета; в реальности это бывает крайне редко), оказаться повреждёнными (обычно повреждённые пакеты уничтожаются) или не прибыть вовсе. Гарантию безошибочной доставки пакетов дают протоколы более высокого (транспортного уровня) сетевой модели OSI - например, Порты TCP - которые используют IP в качестве транспорта.

Протокол IP использует принцип маршрутизации. Вид таблицы IP- маршрутизации зависит от конкретной реализации маршрутизатора, но в таблицах всех типов маршрутизаторов есть все ключевые поля, необходимые для выполнения маршрутизации. Существует несколько источников, поставляющих записи в таблицу маршрутизации:

Во-первых, при инициализации программное обеспечение стека TCP/IP заносит в таблицу записи о непосредственно подключенных сетях и маршрутизаторах по умолчанию, а также записи об особых адресах типа 127.0.0.0.

Во-вторых, администратор вручную заносит статические записи о специфичных маршрутах или о маршрутизаторе по умолчанию.

В-третьих, протоколы маршрутизации автоматически заносят в таблицу динамические записи о имеющихся маршрутах.

Важной особенностью протокола IP, отличающей его от других сетевых протоколов, является его способность выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между сетями с различными MTU .

Структура IP пакета

Пакет протокола IP состоит из заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета 65 535 байт. Заголовок обычно имеет длину 20 байт и содержит информацию о сетевых адресах отправителя и получателя, о параметрах фрагментации, о времени жизни пакета, о контрольной сумме и некоторых других. В поле данных IP- пакета находятся сообщения более высокого уровня.

Рассмотрим поля структуру IP- пакета на конкретном примере.

Поле Длина заголовка (IHL) IP- пакета занимает 4 бит и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок IP-пакета имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена. Наибольший заголовок занимает 60 октетов.

Поле Тип сервиса (Type of Service) занимает один байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (Precedence) . Приоритет может иметь значения от самого низкого - 0 (нормальный пакет) до самого высокого - 7 (пакет управляющей информации) . Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Type of Service содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Реально выбор осуществляется между тремя альтернативами: малой задержкой, высокой достоверностью и высокой пропускной способностью. Во многих сетях улучшение одного из этих параметров связано с ухудшением другого, кроме того, обработка каждого из них требует дополнительных вычислительных затрат. Поэтому редко, когда имеет смысл устанавливать одновременно хотя бы два из этих трех критериев выбора маршрута. Зарезервированные биты имеют нулевое значение. Установленный * бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета * бит Т - для максимизации пропускной способности * бит R - для максимизации надежности доставки.

Поле Общая длина (Total Length) занимает 2 байта и означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65 535 байт, однако в большинстве компьютеров и сетей такие большие пакеты не используются. При передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP- пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байт, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet. В стандарте предусматривается, что все хосты должны быть готовы принимать пакеты вплоть до 576 байт длиной (приходят ли они целиком или по фрагментам). Существует такое правило: хостам рекомендуется отправлять пакеты размером более чем 576 байт, только если они уверены, что принимающий хост или промежуточная сеть готовы обслуживать пакеты такого размера.

Поле Идентификатор пакета (Identification) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле Флаги (Flags) занимает 3 бита и содержит признаки, связанные с фрагментацией: установленный бит DF (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит MF (More Fragments) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не последним) фрагментом. Оставшийся бит зарезервирован.

Поле Смещение фрагмента (Fragment Offset) занимает 13 бит и задает смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами MTU . Смещение должно быть кратно 8 байт.

Поле Время жизни (Time to Live) занимает 1 байт и означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи. На маршрутизаторах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается и в том случае, когда время задержки меньше секунды. Поскольку современные маршрутизаторы редко обрабатывают пакет дольше, чем за одну секунду, то время жизни можно считать равным максимальному числу узлов, которые разрешено пройти данному пакету до того, как он достигнет места назначения. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как пакет достигнет получателя, этот пакет будет уничтожен. Время жизни можно рассматривать как часовой механизм самоуничтожения. Значение этого поля изменяется при обработке заголовка IP-пакета.

Идентификатор Протокол верхнего уровня (Protocol) занимает 1 байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещенная в поле данных пакета (например, это могут быть сегменты протоколов верхних уровней или протоколов маршрутизации). Значения идентификаторов для различных протоколов приводятся в документе RFC 3232 - Assigned Numbers.

Контрольная сумма (Header Checksum) занимает 2 байта и рассчитывается только по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое значение в процессе передачи пакета по сети (например, время жизни), контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой обработке IP- заголовка. Контрольная сумма - 16 бит - подсчитывается как дополнение к сумме всех 16-битовых слов заголовка. При вычислении контрольной суммы значение самого поля "контрольная сумма" устанавливается в нуль. Если контрольная сумма неверна, то пакет будет отброшен, как только ошибка будет обнаружена.

Поля IP-адрес источника (Source IP Address) и

IP-адрес назначения (Destination IP Address) имеют одинаковую длину - 32 бита - и одинаковую структуру.

Поле Опции (IP Options) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Механизм опций предоставляет функции управления, которые необходимы или просто полезны при определенных ситуациях, однако он не нужен при обычных коммуникациях. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Опции должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Поле Выравнивание (Padding) используется для того, чтобы убедиться в том, что IP- заголовок заканчивается на 32-битной границе. Выравнивание осуществляется нулями.

IP фрагментация, MTU, MSS, и PMTUD

Фрагментация IP пакетов: MTU , MSS , и PMTUD . PMTUD (Path MTU Discovery) и проблема фрагментации пакетов (network mtu ping packet)

Почему же работают пинг при проблемах с MTU? Пакеты ICMP Request и Relpy имеют размер от 32 до 64 байтов, пингуемый сервер возвращает очень мало информации, которая вполне укладывается в допустимый размер вместе со всеми заголовками.

Протокол Порты TCP позволяет согласовать значение максимального размера сегмента (MSS) обоим участникам соединения. Каждая сторона указывает предлагаемый размер MSS в поле ОПЦИИ заголовка пакета TCP. Будет принято наименьшее из двух значений. Такое согласование позволяет избежать фрагментации пакетов при прохождении через маршрутизаторы и шлюзы, и их последующей сборки на целевом хосте, что приводит к задержкам и снижению скорости передачи.

Фрагментация подразумевает разбиение блока данных (пакета) на равные части. Соответственно после фрагментации следующим этапом следует сборка фрагментов. Протокол IP позволяет выполнять фрагментацию только тех пакетов, которые поступают на входные порты маршрутизаторов. Следует различать фрагментацию сообщений в узле-отправителе, и динамическую фрагментацию сообщений в маршрутизаторах. Дело в том, что практически во всех стеках протоколов есть протоколы, которые осуществляют фрагментацию сообщений прикладного уровня на такие части, которые укладываются в кадры канального уровня. В стеке TCP/IP, например, эту задачу решает протокол транспортного уровня TCP. Этот протокол может разбивать поток байтов, передаваемый ему с прикладного уровня на сообщения нужного размера (например, на 1460 байт для протокола Ethernet).

Поэтому протокол IP в узле-отправителе не использует свои возможности по фрагментации пакетов.

А вот при необходимости передать пакет в следующую сеть, для которой размер пакета является слишком большим, IP-фрагментация становится необходимой.

В функции уровня IP входит разбиение слишком длинного для конкретного типа составляющей сети сообщения на более короткие пакеты с созданием соответствующих служебных полей, нужных для последующей сборки фрагментов в исходное сообщение.

В большинстве типов локальных и глобальных сетей значения MTU, то есть максимальный размер поля данных, в которое должен инкапсулировать свой пакет протокол IP, значительно отличается.

Сети Ethernet имеют значение MTU, равное 1500 байт, сети FDDI - 4096 байт, а сети Х.25 чаще всего работают с MTU в 128 байт.

Итак, необходимость фрагментации пакетов на уровне IP мы пояснили. Теперь перейдем к самому процессу фрагментации пакетов IP.

Как мы уже выяснили из предыдущего раздела нашего урока, в поле Flags заголовка IP-пакет может быть помечен как не фрагментируемый. Любой пакет, помеченный таким образом, не может быть фрагментирован модулем IP ни при каких условиях.

Даже в том случае, если пакет, помеченный как не фрагментируемый, не может достигнуть получателя без фрагментации, то он просто уничтожается, а узлу-отправителю посылается соответствующее сообщение.

Протокол IP допускает возможность использования в пределах отдельной подсети ее собственных средств фрагментирования, невидимых для протокола IP.

Например, технология АТМ делит поступающие IP-пакеты на ячейки с полем данных в 48 байт с помощью своего уровня сегментирования, а затем собирает ячейки в исходные пакеты на выходе из сети. Но такие технологии, как АТМ, являются скорее исключением, чем правилом.

Процедуры фрагментации и сборки протокола IP рассчитаны на то, чтобы пакет мог быть разбит на практически любое количество частей, которые впоследствии могли бы быть вновь собраны.

Для того, чтобы не перепутать фрагмент различных типов, в заголовке IP-пакетов используется поле Identification.

Модуль протокола IP, отправляющий пакет, устанавливает в поле Identification значение, которое должно быть уникальным для данной пары отправитель - получатель. Кроме этого отправитель в заголовке пакета устанавливает время, в течение которого пакет может быть активным в сети.

Поле смещения фрагмента (Fragment Offset) сообщает получателю положение фрагмента в исходном пакете. Смещение фрагмента и длина определяют часть исходного пакета, принесенную этим фрагментом. Флаг "more fragments" показывает появление последнего фрагмента. Модуль протокола IP, отправляющий неразбитый на фрагменты пакет, устанавливает в нуль флаг "more fragments" и смещение во фрагменте.

Все эти поля дают достаточное количество информации для сборки пакета.

Итак, чтобы разделить на фрагменты большой пакет, модуль протокола IP, установленный, например, на маршрутизаторе, создает несколько новых пакетов и копирует содержимое полей IP-заголовка из большого пакета в IP-заголовки всех новых пакетов. Данные из старого пакета делятся на соответствующее число частей, размер каждой из которых, кроме самой последней, обязательно должен быть кратным 8 байт.

Размер последней части данных равен полученному остатку.

Каждая из полученных частей данных помещается в новый пакет.

Когда происходит фрагментация, то некоторые параметры IP-заголовка копируются в заголовки всех фрагментов, а другие остаются лишь в заголовке первого фрагмента.

Процесс фрагментации может изменить значения данных, расположенных в поле параметров, и значение контрольной суммы заголовка, изменить значение флага "more fragments" и смещение фрагмента, изменить длину IP-заголовка и общую длину пакета.

В заголовок каждого пакета заносятся соответствующие значения в поле смещения "fragment offset", а в поле общей длины пакета помещается длина каждого пакета.

Таким образом, первый фрагмент будет иметь в поле "fragment offset" нулевое значение. Во всех пакетах, кроме последнего, флаг "more fragments" устанавливается в единицу, а в последнем фрагменте - в нуль.

Теперь давайте рассмотрим процесс сборки фрагментов пакетов.

Чтобы собрать фрагменты пакета, модуль протокола IP объединяет IP-пакеты, имеющие одинаковые значения в полях идентификатора, отправителя, получателя и протокола.

Таким образом, отправитель должен выбрать идентификатор таким образом, чтобы он был уникален для данной пары отправитель-получатель, для данного протокола и в течение того времени, пока данный пакет (или любой его фрагмент) может существовать в составной IP-сети.

Вполне очевидно, что модуль протокола IP, отправляющий пакеты, должен иметь таблицу идентификаторов, где каждая запись соотносится с каждым отдельным получателем, с которым осуществлялась связь, и указывает последнее значение максимального времени жизни пакета в IP-сети.

Однако, поскольку поле идентификатора допускает 65 536 различных значений, некоторые хосты могут использовать просто уникальные идентификаторы, не зависящие от адреса получателя.

В некоторых случаях целесообразно, чтобы идентификаторы IP-пакетов выбирались протоколами более высокого, чем IP, уровня.

Процедура объединения заключается в помещении данных из каждого фрагмента в позицию, указанную в заголовке пакета в поле "fragment offset".

Каждый модуль IP должен быть способен передать пакет из 68 байт без дальнейшей фрагментации. Это связано с тем, что IP-заголовок может включать до 60 байт, а минимальный фрагмент данных - 8 байт. Каждый получатель должен быть в состоянии принять пакет из 576 байт в качестве единого куска либо в виде фрагментов, подлежащих сборке. Если бит флага запрета фрагментации (Don"t Fragment, DF) установлен, то фрагментация данного пакета запрещена, даже если в этом случае он будет потерян.

Данное средство может использоваться для предотвращения фрагментации в тех случаях, когда хост - получатель не имеет достаточных ресурсов для сборки фрагментов.

Итак, после длительных объяснений давайте закрепим на примере все, что мы сейчас узнали о фрагментации IP-пакетов.

Рассмотрим процесс фрагментации IP-пакетов при передаче между сетями с разным размером пакетов на примере, который показан на этом рисунке.

Канальный и физический уровни обозначены, как К1, Ф1, К2, Ф2 соответственно.

Пусть компьютер 1 связан с сетью, имеющей значение MTU в 4096 байт, например с сетью FDDI.

При поступлении на IP-уровень компьютера 1 сообщения от транспортного уровня размером в 5600 байт протокол IP делит его на два IP-пакета. В первом пакете устанавливает признак фрагментации и присваивает пакету уникальный идентификатор, например 486.

В первом пакете величина поля смещения равна 0, а во втором - 2800.

Признак фрагментации во втором пакете равен нулю, что показывает, что это последний фрагмент пакета.

Общая величина IP-пакета составляет 2800 плюс 20 (размер IP-заголовка), то есть 2820 байт, что умещается в поле данных кадра FDDI.

Сетевой интерфейс отправляет кадры следующему маршрутизатору.

После того, как кадры пройдут уровень сетевого интерфейса маршрутизатора (К1 и Ф1) и освободятся от заголовков FDDI, модуль IP по сетевому адресу определяет, что прибывшие два пакета нужно передать в сеть 2, которая является сетью Ethernet и имеет значение MTU, равное 1500.

Следовательно, прибывшие IP-пакеты необходимо фрагментировать.

Маршрутизатор извлекает поле данных из каждого пакета и делит его еще пополам, чтобы каждая часть уместилась в поле данных кадра Ethernet.

Затем он формирует новые IP-пакеты, каждый из которых имеет длину 1400 + 20 = 1420 байт, что меньше 1500 байт, поэтому они нормально помещаются в поле данных кадров Ethernet.

В результате в компьютер 2 по сети Ethernet приходят четыре IP-пакета с общим идентификатором 486.

Протокол IP, работающий в компьютере 2, должен правильно собрать исходное сообщение.

Если пакеты пришли не в том порядке, в котором были посланы, то смещение укажет правильный порядок их объединения.

Таймер устанавливается на максимальное из двух значений: первоначальное установочное время ожидания и время жизни, указанное в принятом фрагменте.

Таким образом, первоначальная установка таймера является нижней границей для времени ожидания при c6opке. Если таймер истекает раньше прибытия последнего фрагмента, то все ресурсы сборки, связанные с данным пакетом, освобождаются, все полученные к этому моменту фрагменты пакета отбрасываются, а в узел, пославший исходный пакет, направляется сообщение об ошибке.

Протоколы TCP/IP основа работы глобальной сети Интернет. Если быть более точным, то TCP/IP это список или стек протоколов, а по сути, набор правил по которым происходит обмен информации (реализуется модель коммутации пакетов).

В этой статье разберем принципы работы стека протоколов TCP/IP и попробуем понять принципы их работы.

Примечание: Зачастую, обревиатурой TCP/IP называют всю сеть, работающую на основе этих двух протоколов, TCP и IP.

В модель такой сети кроме основных протоколов TCP (транспортный уровень) и IP (протокол сетевого уровня) входят протоколы прикладного и сетевого уровней (смотри фото). Но вернемся непосредственно к протоколам TCP и IP.

Что такое протоколы TCP/IP

TCP — Transfer Control Protocol . Протокол управления передачей. Он служит для обеспечения и установление надежного соединения между двумя устройствами и надежную передачу данных. При этом протокол TCP контролирует оптимальный размер передаваемого пакета данных, осуществляя новую посылку при сбое передачи.

IP — Internet Protocol. Интернет протокол или адресный протокол — основа всей архитектуры передачи данных. Протокол IP служит для доставки сетевого пакета данных по нужному адресу. При этом информация разбивается на пакеты, которые независимо передвигаются по сети до нужного адресата.

Форматы протоколов TCP/IP

Формат IP протокола

Существуют два формата для IP адресов IP протокола.

Формат IPv4. Это 32-битовое двоичное число. Удобная форма записи IP-адреса (IPv4) это запись в виде четырёх групп десятичных чисел (от 0 до 255), разделённых точками. Например: 193.178.0.1.

Формат IPv6. Это 128-битовое двоичное число. Как правило, адреса формата IPv6 записываются в виде уже восьми групп. В каждой группе по четыре шестнадцатеричные цифры разделенные двоеточием. Пример адреса IPv6 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7889.

Как работают протоколы TCP/IP

Если удобно представьте передаче пакетов данных в сети, как отправку письма по почте.

Если неудобно, представьте два компьютера соединенных сетью. Причем сеть соединения может быть любой как локальной, так и глобальной. Разницы в принципе передачи данных нет. Компьютер в сети также можно считать хостом или узлом.

Протокол IP

Каждый компьютер в сети имеют свой уникальный адрес. В глобальной сети Интернет, компьютер имеет этот адрес, который называется IP-адрес (Internet Protocol Address).

По аналогии с почтой, IP- адрес это номер дома. Но номера дома для получения письма недостаточно.

Передаваемая по сети информация передается не компьютером, как таковым, а приложениями, установленными на него. Такими приложениями являются сервер почты, веб-сервер, FTP и т.п. Для идентификации пакета передаваемой информации, каждое приложение прикрепляется к определенному порту. Например: веб-сервер слушает порт 80, FTP слушает порт 21, почтовый SMTP сервер слушает порт 25, сервер POP3 читает почту почтовых ящиков на порте 110.

Таким образом, в адресном пакете в протоколе TCP/IP, в адресатах появляется еще одна строка: порт. Аналог с почтой — порт это номер квартиры отправителя и адресата.

Пример:

Source address (Адрес отправителя):

IP: 82.146.47.66

Destination address (Адресполучателя):

IP: 195.34.31.236

Стоит запомнить: IP адрес + номер порта — называется «сокет». В примере выше: с сокета 82.146.47.66:2049 пакет отправляется на сокет 195.34.31.236: 53.

Протокол TCP

Протокол TCP это протокол следующего после протокола IP уровня. Предназначен этот протокол для контроля передачи информации и ее целостности.

Например, Передаваемая информация разбивается на отдельные пакеты. Пакеты доставят получателю независимо. В процессе передачи один из пакетов не передался. Протокол TCP обеспечивает повторные передачи, до получения этого пакета получателем.

Транспортный протокол TCP скрывает от протоколов высшего уровня (физического, канального, сетевого IP все проблемы и детали передачи данных).

Сетевой протокол IP является базовым строительным элементом всей сети Интернет, построенной на базе стека протоколов TCP/IP. Он обеспечивает работу базовой службы доставки пакетов, все протоколы сетевого и соседних уровней используют протокол IP для доставки данных.

Протокол IP выполняет ряд важных функций:

Определяет базовую единицу передачи информации в сети Интернет – дейтограмму;
Определяет схему интернет-адресации (IP-адрес);
Осуществляет обмен данными между уровнем доступа к сети и транспортным уровнем;
Выполняет маршрутизацию пакетов, адресованных удаленным узлам;
Отвечает за разбиение и сборку дейтаграмм.

Особенностью протокола IP является то, что он не проверяет были ли данные успешно доставлены. Иными словами, данный протокол работает без создания логических соединений . Установка логических соединений делегируется протоколам других уровней (например, протокол TCP). Помимо этого, при обнаружении и исправлении ошибок протокол IP также полагается на другие протоколы.

Формат пакета, определяемый протоколом IP называется дейтаграммой.

Как видно дейтаграмма содержит множество различных полей, но нам интересны, в первую очередь, IP-адрес отправителя и IP-адрес получателя. Данные поля занимают по 4 байта каждый. По сути это число от 0.0.0.0 до 255.255.255.255, которое определяет адрес узла в сети Интернет. Доставка пакетов осуществляется на основе Ip-адреса получателя. Если адреса отправителя и получателя находятся в одной подсети, то пакет доставляется напрямую в пункт назначения. В противном случае, пакет будет сначала доставлен на шлюз по-умолчанию (маршрутизатор в локальной сети). Шлюз занимается коммутацией пакетов между физически обособленными сетями.

Другое полезное поле – идентификатор протокола. Данное поле занимает всего 1 байт и указывает какому протоколу верхнего уровня принадлежит пакет (например: TCP, UDP, RIP и др.). Иными словами, поле “протокол” указывает на то, какой тип данных передается поверх “IP”.

Время жизни пакета (TTL) – число переходов (хопов), за который пакет может существовать до своего исчезновения. Хоп – это участок между маршрутизаторами. Наличие этого параметра не позволяет пакету бесконечно путешествовать по сети. Поле TTL занимает 2 байта, соответственно максимальное значение TTL = 255.

Контрольная сумма заголовка – защищает от искажений, которые могут возникнуть в течении передачи пакета. Контрольная сумма вычисляется в передатчике, и полученное значение посылается с пакетом. Приемник повторяет те же самые вычисления всего пакета, включая контрольную сумму. Если результат вычисления удовлетворителен, то пакет принимается; в противном случае он отклоняется. Стоит отметить, что так как заголовки IP-пакета могут меняться (тот же самый TTL), то контрольная сумма рассчитывается при каждой обработке IP-пакета.

Поля “идентификатор”, “флаги”, “указатель фрагмента” относятся к такому понятию как фрагментация. IP-фрагментация – это разбиение датаграммы на множество частей, которые могут быть повторно собраны позже. При использовании пакетного форматирования сеть может передавать длинные сообщения более надежно и эффективно.

Поле идентификатор занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле флаги занимает 3 бита и содержит признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит DF (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит MF (More Fragment) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не последним фрагментом).

Поле указатель фрагмента занимает 13 бит и задает смещение в байтах поля данных этого пакет от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации.

Поле тип сервиса (ToS) – байт, содержащий набор критериев, определяющих тип обслуживания IP-пакетов. Тип обслуживания позволяет приоритезировать IP-трафик на сетевых маршрутизаторах, с целью обеспечения высокого качества передачи данных.

Байт побитно (0 – старший, 7 – младший):

0-2 – приоритет (predence) данного IP-пакета
3 – требования ко времени задержки (delay) передачи IP-пакета (0 – нормальная, 1 – низкая задержка)
4 – требования к пропускной способности (throughput) маршрута, по которому должен отправляться IP-сегмент (0 – низкая, 1 – высокая пропускная способность)
5 – требования к надежности (reliability) передачи IP-пакета (0 – нормальная, 1 – высокая надежность)
6-7 – явное сообщение о задержке

Подписывайтесь на нашу

Протокол IP

Основные функции протокола IP

Основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет протокол межсетевого взаимодействия (Internet Protocol, IP) . Он обеспечивает передачу дейтаграмм от отправителя к получателям через объединенную систему компьютерных сетей.

Название данного протокола - Intrenet Protocol - отражает его суть: он должен передавать пакеты между сетями . В каждой очередной сети, лежащей на пути перемещения пакета, протокол IP вызывает средства транспортировки, принятые в этой сети, чтобы с их помощью передать этот пакет на маршрутизатор, ведущий к следующей сети, или непосредственно на узел-получатель.

Протокол IP относится к протоколам без установления соединений. Перед IP не ставится задача надежной доставки сообщений от отправителя к получателю. Протокол IP обрабатывает каждый IP-пакет как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими IP-пакетами. В протоколе IP нет механизмов, обычно применяемых для увеличения достоверности конечных данных: отсутствует квитирование - обмен подтверждениями между отправителем и получателем, нет процедуры упорядочивания, повторных передач или других подобных функций. Если во время продвижения пакета произошла какая-либо ошибка, то протокол IP по своей инициативе ничего не предпринимает для исправления этой ошибки. Например, если на промежуточном маршрутизаторе пакет был отброшен по причине истечения времени жизни или из-за ошибки в контрольной сумме, то модуль IP не пытается заново послать испорченный или потерянный пакет. Все вопросы обеспечения надежности доставки данных по составной сети в стеке TCP/IP решает протокол TCP, работающий непосредственно над протоколом IP. Именно TCP организует повторную передачу пакетов, когда в этом возникает необходимость.

Важной особенностью протокола IP, отличающей его от других сетевых протоколов (например, от сетевого протокола IPX), является его способность выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между сетями с различными, максимально допустимыми значениями поля данных кадров MTU. Свойство фрагментации во многом способствовало тому, что протокол IP смог занять доминирующие позиции в сложных составных сетях.

Имеется прямая связь между функциональной сложностью протокола и сложностью заголовка пакетов, которые этот протокол использует. Это объясняется тем, что основные служебные данные, на основании которых протокол выполняет то или иное действие, переносятся между двумя модулями, реализующими этот протокол на разных машинах, именно в полях заголовков пакетов. Поэтому очень полезно изучить назначение каждого поля заголовка IP-пакета, и это изучение дает не только формальные знания о структуре пакета, но и объясняет все основные режимы работы протокола по обработке и передаче IP-дейтаграмм.

Структура IP-пакета

IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Заголовок, как правило, имеющий длину 20 байт, имеет следующую структуру (рис. 14.1).

Рис. 1. Структура заголовка IP-пакета

Поле Номер версии (Version) , занимающее 4 бит, указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 (IPv4), и готовится переход на версию 6 (IPv6).

Поле Длина заголовка (IHL) IP-пакета занимает 4 бит и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт в поле Опции (IP Options) . Наибольший заголовок занимает 60 октетов.

Поле Тип сервиса (Type of Service) занимает один байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (Precedence) . Приоритет может иметь значения от самого низкого - 0 (нормальный пакет) до самого высокого - 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Реально выбор осуществляется между тремя альтернативами: малой задержкой, высокой достоверностью и высокой пропускной способностью. Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит Т - для максимизации пропускной способности, а бит R - для максимизации надежности доставки. Во многих сетях улучшение одного из этих параметров связано с ухудшением другого, кроме того, обработка каждого из них требует дополнительных вычислительных затрат. Поэтому редко, когда имеет смысл устанавливать одновременно хотя бы два из этих трех критериев выбора маршрута. Зарезервированные биты имеют нулевое значение.

Поле Общая длина (Total Length) занимает 2 байта и означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65 535 байт, однако в большинстве хост-компьютеров и сетей столь большие пакеты не используются. При передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байт, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet. В стандарте предусматривается, что все хосты должны быть готовы принимать пакеты вплоть до 576 байт длиной (приходят ли они целиком или по фрагментам). Хостам рекомендуется отправлять пакеты размером более чем 576 байт, только если они уверены, что принимающий хост или промежуточная сеть готовы обслуживать пакеты такого размера.

Поле Идентификатор пакета (Identification) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле Флаги (Flags) занимает 3 бита и содержит признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит DF (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит MF (More Fragments) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не последним) фрагментом. Оставшийся бит зарезервирован.

Поле Смещение фрагмента (Fragment Offset) занимает 13 бит и задает смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами MTU. Смещение должно быть кратно 8 байт.

Поле Время жизни (Time to Live) занимает один байт и означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи. На маршрутизаторах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается и в том случае, когда время задержки меньше секунды. Поскольку современные маршрутизаторы редко обрабатывают пакет дольше, чем за одну секунду, то время жизни можно считать равным максимальному числу узлов, которые разрешено пройти данному пакету до того сак он достигнет места назначения. Если параметр времени жизни станет нулевым до того, как пакет достигнет получателя, этот пакет будет уничтожен. Время жизни можно рассматривать как часовой механизм самоуничтожения. Значение этого поля изменяется при обработке заголовка IP-пакета.

Идентификатор Протокол верхнего уровня (Protocol) занимает один байт и указывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещения в поле данных пакета (например, это могут быть сегменты протокола TCP (дейтаграммы UDP, пакеты ICMP или OSPF). Значения идентификаторов для различных протоколов приводятся в документе RFC “Assigned Numbers”.

Контрольная сумма (Header Checksum) занимает 2 байта и рассчитывается только по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое значение в процессе передачи пакета по сети (например, время жизни), контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой обработке IP-заголовка. Контрольная сумма - 16 бит - подсчитывается как дополнение к сумме всех 16-битовых слов заголовка. При вычислении контрольной суммы значение самого поля “контрольная сумма” устанавливается в нуль. Если контрольная сумма неверна, о пакет будет отброшен, как только ошибка будет обнаружена.

Поля IP-адрес источника (Source IP Address) и IP-адрес назначения (Destination Address) имеют одинаковую длину - 32 бита - и одинаковую структуру.

Поле Опции (IP Options) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Механизм опций предоставляет функции управления, которые необходимы или просто полезны при определенных ситуациях, однако он не нужен при обычных коммуникациях. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Опции должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Поле Выравнивание (Padding) используется для того, чтобы убедиться в том, то IP-заголовок заканчивается на 32-битной границе. Выравнивание осуществляется нулями.

Ниже приведена распечатка значений полей заголовка одного из реальных IP-пакетов, захваченных в сети Ethernet средствами анализатора протоколов Microsoft Network Monitor.

IP: Version = 4 (0х4)

IP: Header Length = 20 (0х14)

IP: Service Type = 0 (0х0)

IP: Precedence = Routine

IP: ...0.... = Normal Delay

IP: ....0... = Normal Throughput

IP: .....0.. = Normal Reliability

IP: Total Length = 54 (0х36)

IP: Identification = 31746 (0x7C02)

IP: Flags Summary = 2 (0х2)

IP: .......0 = Last fragment in datagram

IP: ......1. = Cannot fragment datagram

IP: Fragment Offset = 0 (0х0) bytes