Какие существуют форматы адресов компьютеров в компьютерной сети и как они строятся

Учитель информатики

§ 4.2. Всемирная компьютерная сеть Интернет

Информатика. 9 класса. Босова Л.Л. Оглавление

Ключевые слова:

• Интернет
• протокол
• IP-адрес
• доменное имя
• протокол IP
• протокол TCP

Классификация IP-адресов

К логическим адресам в компьютерных сетях предъявляются определенные требования. Прежде всего, они обязаны быть уникальными в пределах одной сети что, вполне логично, иначе возникнет конфликт. Представьте себе ситуацию, когда в одном жилом доме окажется две квартиры с одинаковыми номерами. Поэтому для поддержания порядка и работоспособности сетей IP адреса назначаются по определенным правилам.

Распределением адресов в сети интернет ведает специальная организация, которая выделяет диапазоны ip-адресов региональным регистраторам и далее они распределяются среди провайдеров и их клиентов. Такой подход обеспечивает порядок, уникальность интернет адресов, возможность определять по адресу примерное местоположение узла. Такие адреса называют «белыми».

Для локальных сетей зарезервированы специальные диапазоны адресов, которые не могут применяться в глобальной сети. Их еще называют «серыми», поскольку они не видны из интернета. Выдачей таких номеров управляет администратор конкретной сети. Здесь можно привести такую аналогию, представим себе, что города внутри одной страны образуют глобальную сети, тогда их названия должны быть уникальными и соответствуют «белым» адресам. Внутри каждого города есть сеть улиц, являющаяся частной сетью, следовательно, их названия соответствуют «серым адресам». При этом в пределах одного города не может быть двух улиц Ленина, однако улица с таким названием может встречаться во всех городах.

Еще ip-адреса делят на статические и динамические. Тут все просто, динамические адреса выдаются на определенное время, сейчас он назначен одному компьютеру, а спустя какое то время окажется выдан другому узлу сети. Соответственно статические ip-адреса жестко привязаны к конкретному устройству и могут быть изменены только пользователем вручную.

С общими базовыми понятиями адресации в интернете разобрались, пора выяснить, что из себя представляют ip-адраса. В настоящее время в протоколе IP (Internet Protocol) существует две версии, которые используются параллельно. Причины этого вы скоро поймете.

Общие принципы построения сетей

Со временем основной целью компьютерных развития сетей (помимо передачи информации) стала цель распределенного использования информационных ресурсов:

Периферийных устройств: принтеры, сканеры и т. д.
Данных хранящихся в оперативной памяти устройств.
Вычислительных мощностей.

Достичь эту цель помогали сетевые интерфейсы. Сетевые интерфейсы это определенная логическая и/или физическая граница между взаимодействующими независимыми объектами.

Сетевые интерфейсы разделяются на:

Физические интерфейсы (порты).
Логические интерфейсы (протоколы).

Из определения обычно ничего не ясно. Порт и порт, а что порт?

Начнем с того что порт это цифра. Например 21, 25, 80.

Это число записывается в заголовках протоколов транспортного уровня (об этом ниже). Порт указывает для какой программы предназначен тот или иной пакет (грубо говоря та или иная информация). Например, http-сервер работает через порт 80. Когда вы открываете браузер, вы отправляете запрос на веб-сервер через 80 порт и сервер понимает что это http запрос и вам нужен сервер который передаст вам страницу в формате html (ответ сервера).

Протокол

Протокол, например TCP/IP это адрес узла (компьютера) с указанием порта и передаваемых данных. Например что бы передать информацию по протоколу TCP/IP нужно указать следующие данные:

Адрес отправителя (Source address):
IP: 82.146.49.11
Port: 2049
Адрес получателя (Destination address):
IP: 195.34.32.111
Port: 53
Данные пакета:
…
Благодаря этим данным информация будет передана на нужный узел.

5.4 Фиксированные маски классовых сетей

Когда я только знакомился с компьютерными сетями и разбирался с классовой адресацией, по началу я считал, что масок в классовых сетях нет, на практике с классовыми сетями мне не довелось работать, мне была доступна только теория из Интернета, практики у вас тоже не будет, но я вам сразу скажу, что маски в классовых сетях есть, только они строго фиксированы для первых трех классов сети. Но тогда зачем нужен механизм VLSM, спросите вы, если маски сети есть и в классовых сетях, а всё дело в том, что VLSM это маска переменной длинны, а в классовых сетях маска сети строго фиксирована. Да и вообще, как может не быть маски сети, как тогда компьютер или маршрутизатор или какой-нибудь умный коммутатор будут отличать одну сеть от другой, как они будут понимать в какой сети они находятся, естественно, им нужна для этого маска (вот тут можете почитать о разнице между хабами коммутаторами и роутерами).

Давайте начнем разбираться и поймем, как глупая железяка понимает, что вот это номер сети, а вот это номер узла. Для примера возьмем IP-адрес из сети класса А: 65.128.1.12. Если это IP-адрес из классовой сети, то я вам могу сразу сказать, что номер сети здесь 65.0.0.0, а номер узла 0.128.1.12, а широковещательный адрес в такой сети будет таким: 65.255.255.255. Тут сразу стоит сказать, что самый первый IP-адрес в сети никогда нельзя назначить ни одному узлу, так как это номер сети (65.0.0.0 в нашем случае), также нельзя назначить узлу самый последний IP-адрес (65.255.255.255), так как это широковещательный IP-адрес, узлы сети используют этот IP-адрес для того, чтобы сказать сразу всем соседям какую-то информацию, то есть если компьютер с IP-адресом 65.128.1.12 будет отправлять сообщения на IP-адрес 65.255.255.255, то эти сообщения получат и будут обязаны каким-либо образом обработать все узлы из его сети (то есть все узлы из сети с номером 65.0.0.0). Это похоже на ситуацию, когда вы стоите на площади и вещаете в громкоговоритель, вас услышит вся площадь.

Получается, я вас немного обманывал, когда говорил, что в одной сети класса А может быть 16 777 216 узлов, на самом деле их 16 777 214, так как самый первый IP-адрес отдан под номер сети, а последний является широковещательным, то же самое касается всех других сетей и классов: всегда один адрес уходит под номер сети, а другой является широковещательным, за парочкой исключений, которые мы обсудим в теме VLSM и CIDR.

Но мы так много сказали, но всё еще не приблизились к пониманию того, зачем нужны маски в классовых сетях. А всё очень просто, маски позволяют отделять сети внутри класса, а в классовых сетях они еще и фиксированы, напомню наш IP-адрес: 65.128.1.12. В классовых сетях для IP-адресов из диапазона с 0.0.0.0 по 127.255.255.255 можно задать только вот такую маску: 255.0.0.0, то есть маска 255.0.0.0 вместе с нулевым значением первого бита определяет, что данный IP-адрес относится к сети класса A. Это будет наглядно, если мы переведем IP-адрес и маску в двоичную систему счисления.

Рисунок 4.5.6 IP-адрес и маска подсети в двоичной системе счисления

Помните структуру IP-адреса сети класса А? Самый первый бит обязательно должен быть нулевой, в таблице я его выделил более крупным шрифтом, а следующих семь бит определяют номер узла в сети класса А, то есть 1 + 7 = 8, другими словами первый октет. А теперь посмотрите на первый октет в маске сети для сетей класса А, там все биты установлены в единицу. Вы должны помнить, что маска подсети, это такая штука, у которой сначала идут только единицы, а потом идут только нули, никаких разрывов быть не должно. А если IP-адрес наложить на маску, и для каждого бита IP-адреса, выполнить операцию «логическое И» с соответствующим битом маски сети, то мы узнаем номер узла, номер сети и широковещательный адрем. Получится следующее: там, где в маске стоят единицы, значения бит IP-адреса не изменятся, а там, где в маске стоят нули, значения бит IP-адреса обнуляется, таким образом мы узнаем номер сети. Таблица ниже это демонстрирует.

Рисунок 4.5.7 Номер сети и маска у IP-адреса класса A

Важно здесь то, что «логическое И» выполняется только между соответствующими битами, то есть сначала операция выполняется между между самым первым битом IP-адреса и самым первым битом маски и записывается результат, затем эта же операция выполняется между вторым битом IP-адреса и вторым битом маски, записывается результат, так продолжается до последнего бита. То есть операцию «логическое И» не нужно выполнять для каждого бита IP-адреса с каждым битом маски.

Напомню, что в классовых сетях размер маски является фиксированным, то есть для сетей класса А можно применять только маску 255.0.0.0, но уже не получится использовать маски 255.128.0.0 или 255.255.255.0, вас в приличном классовом обществе не поймут, получается, что маска фиксированной длины в классовых сетях являлась тем фактором, который приводил к неэкономному расходованию адресов, поскольку она была фиксированной. Собственно, на примере сети класса А мы разобрались с механизмом работы классовых сетей, теперь нам осталось посмотреть на маски сетей класса B и C.

Сначала посмотрим на класс B, я не буду объяснять все то, что было ранее, повторяться нет смысла, а сразу приведу табличку, которая все скажет за меня.

Рисунок 4.5.8 Номер сети и маска у IP-адреса класса B

Накладываем маску на IP-адрес и узнаем, что номер сети 131.10.0.0, широковещательный адрес здесь будет 131.10.255.255, а все остальные адреса можно забирать под узлы. То есть для сетей класса B можно использовать только маску 255.255.0.0. Первых два бита, которые говорят о принадлежности к сети класса B выделены шрифтом и начертанием. Осталось посмотреть на сети класса C.

Рисунок 4.5.9 Номер сети и маска у IP-адреса класса C

Первые биты, которые говорят о том, что IP-адрес из сети класса C хорошо заметны, накладываем маску на IP-адрес и получаем всю необходимую информацию: 200.150.255.0 – это номер сети, 200.150.255.255 – это широковещательный адрес, все остальные IP-адреса можно забирать на нумерацию узлов в сети. В сетях класса C для нас доступна только такая маска: 255.255.255.0, и никаких других здесь быть не может.

Заметили особенность, которую можно называть лайфхаком для классовых сетей? Чтобы назвать номер сети, количество узлов в сети и широковещательный адрес, нам не нужно знать маску сети, нам достаточно одного IP-адреса, ведь каждый IP-адрес строго закреплен за классом, а у каждого класса фиксированная маска. Так, например, если нам скажут, что есть IP-адрес 10.10.10.10 из классовой IP сети, то вы без труда поймете, что этот IP-адрес относится, к сети класса А, а это значит, что у него в любом случае будет маска 255.0.0.0, из этого следует, что номер сети 10.0.0.0, широковещательный адрес 10.255.255.255, а все остальные адреса из этого диапазона можно забирать под номера узлов.

Стоит заметить, что для IP сетей, в которых адресация реализована на масках переменной длины, этот трюк уже не прокатит. Ведь там у любого IP-адреса может быть любая маска, так, например, в сетях VLSM у того же адреса 10.10.10.10 может быть маска 255.0.0.0, а может быть и 255.255.255.252. Во втором случае номер сети будет 10.10.10.8, широковещательный адрес будет 10.10.10.11, а под номера узлов у нас остается два адреса, поэтому если вам говорят, что сеть VLSM, дают IP-адрес и говорят: назови номер сети, вы просто обязаны будете сказать, а дайте еще и маску.

Сетевое расположение IP-адресов

Уникальные IP-адреса, которые назначаются специальными организациями (например, Интернет-провайдером), называются внешними, белыми или публичными. Публичные IP-адреса применяются для получения доступа к Интернету и осуществления взаимодействия с другими узлами через публичную сеть. Устройство с внешним IP-адресом видно другим пользователям в Интернете.

Кроме того, существуют частные IP-адреса, именуемые также серыми или внутренними. Серые IP-адреса назначаются устройствам в локальной сети и не видны в Интернете. К примеру, можно представить дом, в котором к WI-FI роутеру подключено несколько устройств. Все они объединены в одну сеть и имеют серые IP-адреса.

Публичные IP-адреса	Частные IP-адреса
Глобальный (внешний) охват.	Местный (внутренний) охват.
Используются для соединений через Интернет за пределами частной сети.	Используется для связи с другими устройствами в частной сети.
Уникальный числовой код, не используемый другими устройствами.	Неуникальный числовой код, который может использоваться другими устройствами в других частных сетях.
Можно узнать по поисковому запросу типа: «Мой IP-адрес» («What is my IP»).	Можно найти во внутренних настройках устройства.
Назначаются интернет-провайдером.	Присваиваются маршрутизатором конкретному устройству.
Платные.	Бесплатные.
Может использоваться любое число, не входящее в диапазон частных IP-адресов.	10.0.0.0 — 10.255.255.255 172.16.0.0 — 172.31.255.255 192.168.0.0 — 192.168.255.255
Пример: 8.8.8.8.	Пример: 10.11.12.13

Компьютерные сети.doc

Услуги телефонных сетей:

соединение 2-ух абонентов;
голосовая почта;
доступ к справочным службам.

Услуги компьютерных сетей:

доступ к Internet;
электронная почта;
объединение Lan;
виртуальные частные сети;
Информационные протоколы.

По степени покрытия территории:

локальные;
региональные;
национальные;
транснациональные.

Для компьютерных сетей основное назначение- подготовка работы конкретного предприятия.

В зависимости от материалов производства подразделения, в пределах которых функционирует, сеть различают:

1) сети разделов или рабочей группы;

2) сети зданий и корпусов;

3) сети масштаба предприятия.

Корпоративная сеть предназначена для поддержания работы конкретного предпрития, владеющего данной сетью.

В зависимости от масштаба производственного подразделения, в кот. Установлена сеть и класса решаемых задач разделяют:

Сети отделов — это сети, которые используются сравнительно небольшой группой сотрудников, работающих в одном отделе предприятия. Главной целью сети отдела является разделение локальных ресурсов, таких как приложения, данные, лазерные принтеры и модемы. Сети отделов обычно не разделяются на подсети. Для такой сети характерен один или, максимум, два типа операционных систем.

Сети кампусов получили свое название от английского слова campus — студенческий городок. Сейчас это название используют для обозначения сетей любых предприятий и организаций. Сети этого типа объединяют множество сетей различных отделов одного предприятия в пределах отдельного здания или в пределах одной территории, покрывающей площадь в несколько квадратных километров.

Корпоративные сети – это сети масштаба предприятия, которые могут покрывать город, регион или даже континент. Особенности: — Масштабность — число пользователей и компьютеров может измеряться тысячами, а число серверов – сотнями. — Высокая степень гетерогенности — используются различные типы компьютеров, операционных систем и множество различных приложений.

Основные требования, предъявляемые к КС:

Производительность;
Надёжность (для её оценки используется 2 характеристики: безопасность(защита данных от несанкционирован доступа) и отказоустойчивость(способность системы преодолевать отказ отдельных элементов так, чтобы это не сказывалось на общей работе системы));
Масштабируемость (означает что сеть позволяет наращивать кол-во узлов и протяжённость связей в очень широких пределах без потери производительности);
Управляемость (возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети; выявлять и решать возникающие проблемы);
Совместимость (означает способность сети включать в себя разнообразие аппаратных и программных обеспечений, различные ОС, коммуникационные протоколы);
Расширяемость (возможность сравнительно лёгкого добавления отдельных элементов сети, наращивание длины сегментов сети и замена существующей аппаратуры более мощной);
Прозрачность (свойство сети скрывать от пользователя детали своего внешнего устройства и функционирования (м/б доступной на уровне пользователя или на уровне ПО));

Производительность и надёжность составляют Quality of Service. Существует 2 подхода к обеспечению QoS:

сети с гарантией качества обслуживания (сеть гарант полным соблюдением некоторых числовых величин качества обслуживания). Frame Relay, ATM обеспечивает: заданный уровень пропускной способности сети; Уровень ошибок; Уровень потерь.
сети с наименьшим старанием besteffort.

Основные числовые характеристики производительности это:

время реакции (это интервал времени между возникновением запросов пользователя в сетевой службе и получением ответа на него);
пропускная способность (объем данных, переданных сетью в единицу времени; измеряется в битах в сек или в пакетах в сек; различают: мгновенную, максимальную, среднюю );
задержка передачи(интервал времени между моментом поступления данных на вход системы и моментом их появления на выходе).

Топология – конфигурация физических связей между узлами сети. Характеристики сети зависят от типа устанавливаемой топологии. В частности, выбор той или иной топологии влияет:

на состав необходимого сетевого оборудования;
возможности сетевого оборудования;
возможности расширения сети;
способ управления сетью.

Под термином «топология КС» может подразумеваться физическая топология (конфигурация физических связей) или логическая топология – маршруты передачи сигналов между узлами сети. Физическая и логическая топологии КС могут совпадать или различаться. (Например, сеть Ethernet на коаксиальном кабеле– физическая и логическая топология “общая шина”, сеть Token Ring – физическая топология “звезда”, логическая топология – “кольцо”.)

Локальные сети строятся на основе трех базовых топологий, известных как: общая шина (bus); звезда(star); кольцо (ring) .

В топологии общая шина используется один кабель, к которому подключены все компьютеры сети. Данная топология является наиболее простой и дешевой реализацией сети, с экономным расходом кабеля. К такой сети легко подключать новые узлы.

В каждый момент времени вести передачу может только один компьютер. Данные передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот компьютер, чей адрес соответствует адресу получателя.

Поэтому производительность сети зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем больше компьютеров, тем медленнее сеть.

Шина — пассивная топология. Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если какой- либо компьютер выйдет из строя, это не скажется на работе сети.

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы. При разрыве кабеля, отсоединении одного из его концов, отсутствии терминатора вся сеть выходит из строя («падает»). Т.к. не работает вся сеть, администратору трудно найти и локализовать неисправность. Кроме того, в топологии общая шина существует ограничение на размеры сети (из-за затухания сигнала в кабеле).

При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту — концентратору (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным.

В сетях с топологией «звезда» подключение компьютеров к сети и управление сетью выполняется централизованно. Но есть и недостатки: так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля, более высокая стоимость сети (плюс hub), количество подключаемых модулей ограничено количеством портов концентратора. К тому же, если центральный компонент выйдет из строя, остановится вся сеть. Если же выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети этот сбой не повлияет.

При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли повторителя, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть. Следовательно, трудно локализовать проблемы, а изменение конфигурации требует остановки всей сети. Оборудование для сетей с топологией кольцо более дорогостоящее.

К преимуществам можно отнести: устойчивость сети к перегрузкам (нет коллизий, отсутствует центральный узел) и возможность охвата большой территории. Кроме того, количество пользователей не оказывает большого влияния на производительность сети. Сегодня при компоновке сети чаще используются комбинированные топологии, которые сочетают отдельные свойства шины, звезды и кольца

К адресу узла сети и схеме его назначения можно предъявить несколько требований:

Адрес должен уникально идентифицировать компьютер в сети любого масштаба.
Схема назначения адресов должна сводить к минимуму ручной труд администратора и вероятность дублирования адресов.
Адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей. В крупных сетях отсутствие иерархии адреса может привести к большим издержкам — конечным узлам и коммуникац. оборудованию придется оперировать с таблицами адресов, состоящими из тысяч записей.
Адрес должен быть удобен для пользователей сети, т.е. должен иметь символьное представление.
Адрес должен иметь по возможности компактное представление, чтобы не перегружать память коммуникационной аппаратуры — сетевых адаптеров, маршрутизаторов и т. п.

Перечисленные требования трудно совместить в рамках какой-либо одной схемы адресации, поэтому на практике обычно используется сразу несколько схем, так что компьютер одновременно имеет несколько адресов. Каждый адрес используется в той ситуации, когда соответствующий вид адресации наиболее удобен. Наибольшее распространение получили три схемы адресации узлов.

· Аппаратные (hardware) адреса (локальные, физические, MAC-адреса). Эти адреса предназначены для сети небольшого или среднего размера, они не имеют иерархической структуры. Типичным представителем адреса такого типа является адрес сетевого адаптера локальной сети. Такой адрес обычно используется только аппаратурой, его записывают в виде двоичного или шестнадцатеричного значения, например 0081005е24а8, в ПЗУ платы сетевого адаптера. При замене аппаратуры, например, сетевого адаптера, изменяется и аппаратный адрес. Стандарты на аппаратные адреса были разработаны IEEE, для всех технологий ЛВС длина аппаратного адреса 6 байт.

· Символьные адреса или имена. Эти адреса предназначены для запоминания людьми и поэтому обычно несут смысловую нагрузку. Символьные адреса легко использовать как в небольших, так и крупных сетях. Для работы в больших сетях символьное имя может иметь сложную иерархическую структуру, например доменные имена в Internet: ftp-archl.ucl.ac.uk.

· Числовые составные адреса. Во многих случаях для работы в больших сетях в качестве адресов узлов используют числовые составные адреса. Типичным представителями адресов этого типа являются IP- и IPX-адреса. В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть — номер сети и младшую — номер узла. Такое деление позволяет передавать сообщения между сетями только на основании номера сети, а номер узла используется только после доставки сообщения в нужную сеть. В последнее время, чтобы сделать маршрутизацию в крупных сетях более эффективной, предлагаются более сложные варианты числовой адресации, в соответствии с которыми адрес имеет три и более составляющих. Такой подход, в частности, реализован в новой версии протокола IPv6, предназначенного для работы в сети Internet.

В современных сетях для адресации узлов применяются, как правило, одновременно все три приведенные выше схемы. Пользователи адресуют компьютеры символьными именами, которые автоматически заменяются в сообщениях, передаваемых по сети, на числовые номера. С помощью этих числовых номеров сообщения передаются из одной сети в другую, а после доставки сообщения в сеть назначения вместо числового номера используется аппаратный адрес компьютера.