Сетевое администрирование

 

В таблице приведены диапазоны номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.

 

Класс	Наименьший адрес	Наибольший адрес
A	01.0.0	126.0.0.0
B	128.0.0.0	191.255.0.0
C	192.0.1.0.	223.255.255.0
D	224.0.0.0	239.255.255.255
E	240.0.0.0	247.255.255.255

 

При разработке структуры IP-адресов предполагалось, что они будут использоваться по разному назначению.

Адреса класса A предназначены для использования в больших сетях общего пользования. Адреса класса B предназначены для использования в сетях среднего размера (сети больших компаний, научно-исследовательских институтов, университетов). Адреса класса C предназначены для использования в сетях с небольшим числом компьютеров (сети небольших компаний и фирм). Адреса класса D используют для обращения к группам компьютеров, а адреса класса E - зарезервированы.

Среди всех IP-адресов имеется несколько зарезервированных под специальные нужды. Ниже приведена таблица зарезервированных адресов:

 

IP-адрес	Значение
все нули	данный узел сети
номер сети | все нули (144.0.0.0)	данная IP-сеть
все нули | номер узла (0.0.0.32)	узел в данной (локальной) сети
все единицы (1.1.1.1)	все узлы в данной локальной IP-сети
номер сети | все единицы (144.1.1.1)	все узлы указанной IP-сети
127.0.0.1	"петля"

 

Адрес 127.0.0.1 предназначен для тестирования программ и взаимодействия процессов в рамках одного компьютера. В большинстве случаев в файлах настройки этот адрес обязательно должен быть указан, иначе система при запуске может зависнуть. Наличие "петли" чрезвычайно удобно с точки зрения использования сетевых приложений в локальном режиме для их тестирования и при разработке интегрированных систем.

Вообще, зарезервирована вся сеть 127.0.0.0. Эта сеть класса A реально не описывает ни одной настоящей сети.

В общем случае номер сети организации может быть выбран администратором произвольно. Но если внутренняя сеть будет функционировать как составная часть Internet, то номер сети обязательно необходимо получить в специальном центре Internet (Network Information Center, NIC).

 

3. Подсети

 

Важным элементом разбиения адресного пространства Internet являются подсети. Подсеть - это подмножество сети, не пересекающееся с другими подсетями. Это означает, что сеть организации (скажем, сеть класса С) может быть разбита на фрагменты, каждый из которых будет составлять подсеть. Реально, каждая подсеть соответствует физической локальной сети (например, сегменту Ethernet). Вообще говоря, подсети придуманы для того, чтобы обойти ограничения физических сетей на число узлов в них и максимальную длину кабеля в сегменте сети.

На рисунке изображен фрагмент сети класса B - 144.206.0.0, состоящий из двух подсетей - 144.206.130.0 и 144.206.160.0. В центре схемы изображена машина шлюз, которая связывает подсети. Эта машина имеет два сетевых адаптера и, соответственно, два IP-адреса.

 

Рисунок. Схема разбиения адресного пространства сети на подсети

 

Разбиение сети на подсети использует ту часть IP-адреса, которая закреплена за номерами хостов. Администратор сети может замаскировать часть IP-адреса и использовать ее для назначения номеров подсетей. Фактически, способ разбиения адреса на две части, теперь будет применятся к адресу хоста из IP-адреса сети, в которой организуется разбиение на подсети.

Маска подсети - это четыре байта, которые накладываются на IP-адрес для получения номера подсети. Например, маска 255.255.255.0 позволяет разбить сеть класса В на 254 подсети по 254 узла в каждой.

На рисунке приведено маскирование подсети 144.206.160.0. На приведенной схеме сеть класса B (номер начинается с 10) разбивается на подсети маской 255.255.224.0. При этом первые два байта задают адрес сети и не участвуют в разбиении на подсети. Номер подсети задается тремя старшими битами третьего байта маски. Такая маска позволяет получить 6 подсетей. Для нумерации подсети нельзя использовать номер 000 и номер 111. Номер 160 задает 5-ю подсеть в сети 144.206.0.0. Для нумерования машин в подсети можно использовать оставшиеся после маскирования 13 битов, что позволяет создать подсеть из 8190 узлов.

 

Рисунок. Схема маскирования и вычисления номера подсети

 

К сожалению, подсети не только решают, но также и создают ряд проблем. Например, происходит потеря адресов, но уже не по причине физических ограничений, а по причине принципа построения адресов подсети. Как было видно из примера, выделение трех битов на адрес подсети не приводит к образованию 8-ми подсетей. Подсетей образуется только 6, так как номера сетей 0 и 7 использовать в силу специального значения IP-адресов, состоящих из 0 и единиц, нельзя. Таким образом, все комбинации адресов хоста внутри подсети, которые можно было бы связать с этими номерами, придется забыть. Чем шире маска подсети (чем больше места отводится на адрес хоста), тем больше потерь.

 

В принципе 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.

 

Рисунок - 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.

 

4. Порты и сокеты

 

Рассмотрим назначение портов, которые применяются в сетях TCP/IP. В заголовках протоколов нет наименований протоколов, а есть только их номера. Кроме того, данные каждому приложению также доставляются с использованием номеров, которые называются портам, и лежат в диапазоне от 1 до 65535. Пара - протокол и порт - позволяет стеку протоколов TCP/IP доставить данные нуждающемуся в них приложению. Номера портов закреплены за информационными сервисами Internet.

Информационный сервис - это прикладная программа, которая осуществляет обслуживание на определенном порте TCP или UDP. К сервисам относятся: доступ в режиме удаленного терминала, доступ к файловым архивам FTP, доступ к серверам World Wide Web и т.д. Например, Web-сервера могут использовать следующие номера портов – 80 (традиционно), 8080, 8081, 8181, 8282 и 8383.

При работе через стек протоколов TCP/IP сообщения, которыми обмениваются приложения, сначала инкапсулируются в сегменты TCP или дейтаграммы UDP, при этом указывается соответствующий порт транспортного протокола. Потом транспортные протоколы мультиплексируются в IP, который запоминает номер протокола. Все IP-пакеты передаются по сети получателю, где происходит обратная операция изъятия информации из оболочки TCP/IP. Сначала по номеру протокола в модуле IP выделенные данные пересылаются соответствующему протоколу транспортного уровня. На транспортном уровне по номеру порта получателя определяется, какому сервису данные посланы.

Однако, этим механизм взаимодействия приложений в рамках TCP/IP не исчерпывается. Дело в том, что кроме статически назначенных существуют еще динамически назначаемые сервисы.

Динамически назначаемые номера портов TCP и UDP используются для того, чтобы можно было организовать обслуживание множества запросов по сети к одному сервису. Следовательно, должен быть механизм, который бы позволил распараллелить их обслуживание. Таким механизмом служит динамическое назначение портов. Происходит это назначение в момент установки соединения. Клиент, запрашивая обслуживание, обращается к сервису по номеру порта, но при этом сообщает, что принимать ответы он будет по номеру порта, отличному от сервиса. Таким образом, сервер может обслуживать запросы к одному и тому же порту, используя разные порты при ответе. Образующаяся при этом пара (IP-адрес, номер порта) называется сокетом (буквально "розетка"). Таким образом, можно сказать, что http-сервер для обслуживания использует сокет, например, 144.206.130.137;80, а клиент, который к нему обращается, сокет 144.206.130.138;8080.

 

5. Основные принципы IP-маршрутизации

 

Как уже было сказано, протокол IP не является протоколом, ориентированным на соединение. Следовательно, решение о направлении IP-пакета на тот или иной сетевой интерфейс принимается шлюзом в момент прохождения через него пакета. Данное решение принимается на основании таблицы маршрутов, которая имеется на каждом компьютере в сети.

Введем пример сети, на которой будем рассматривать маршрутизацию пакетов (рисунок).

 

Рисунок - Пример фрагмента локальной сети

 

На рисунке 2.21 изображены два фрагмента подсетей (144.206.160.0 и 144.206.128.0) сети класса B (144.206.0.0). Машина с интерфейсами, которые имеют адреса 144.206.160.32 и 144.206.130.137 – это шлюз между двумя подсетями, а машина с адресом сетевого интерфейса 144.206.130.3 - это шлюз сети с другой сетью, которая подключена к Internet.

Рассмотрим сначала путь пакета от машины с адресом 144.206.160.40 к машине с адресом 144.206.160.33. Прежде чем отправить пакет, модуль ARP проверит, существует ли соответствие между IP-адресом получателя и физическим адресом какого-либо интерфейса включенного в локальную сеть. В нашем случае такого соответствия еще нет, поэтому в сеть будет отправлен широковещательный запрос на получение физического адреса по заданному IP-адресу. В ответ машина 144.206.160.33 сообщит свой адрес, после чего пакет будет отправлен в сеть.

Теперь отправим пакет машине 144.206.130.138, которая находится в другой подсети. В этом случае, на широковещательный запрос мы ответа не получим. Поэтому в описании маршрутов пакетов всегда есть IP-адрес, на который следует отправлять пакеты по умолчанию, если нет другого способа их рассылки. Естественно, что это адрес шлюза, т.е. 144.206.160.32. Физический адрес этого интерфейса получают точно также, как описано выше.

Шлюз, получив пакет, определяет, что это не его адрес указан в IP-пакете. После этого IP-модуль шлюза принимает решение о дальнейшей отправке пакета. Происходит поиск нужного интерфейса и через него снова рассылается широковещательный запрос ARP. В нашем случае такой запрос вернет для IP-адреса 144.206.130.138 физический адрес машины и пакет будет отправлен по этому адресу.

Если пакет отправляется в Internet, то шлюз не найдет физического адреса машины, и будет вынужден воспользоваться адресом рассылки по умолчанию. Таким образом, пакет попадет на шлюз с адресом 144.206.130.3, и затем будет отправлен далее.

 

Система маршрутизации основывается на таблице маршрутов, которая определяет куда следует направлять пакет с данным IP-адресом.

Маршрутизация бывает статической и динамической. При статической маршрутизации таблица маршрутов не изменяется. При данной маршрутизации администратору нужно только указать IP-адреса на каждом из сетевых интерфейсов, указать адрес шлюза по умолчанию и включить опцию пересылки пакетов с одного интерфейса на другой.