Как устроен IP-адрес – главный идентификатор в мире сетей TCP/IP

Компьютерная сеть — это группа (два и более) компьютеров, соединённых каналами передачи данных.

Компьютерные сети обеспечивают:

• быстрый обмен данными между отдельными компьютерами сети;
• совместное использование вычислительных ресурсов, принтеров, модемов, сканеров, устройств внешней памяти и т. п.;
• совместное использование программного обеспечения и баз данных;
• совместную работу пользователей над некоторым заданием или проектом;
• возможность удалённого управления компьютерами (диагностику, настройку и/или установку на них программного обеспечения, оказание других видов удалённой поддержки пользователям и т. п.).

В зависимости от выполняемых в сети функций различают компьютеры-серверы и компьютеры-клиенты:

• сервер (от англ. server — обслуживающий) — компьютер, предоставляющий доступ к собственным ресурсам другим компьютерам и/или управляющий распределением ресурсов сети;
• клиент (рабочая станция) — компьютер, использующий ресурсы сервера.

Компьютерные сети могут быть классифицированы по разным основаниям: по территориальной распространённости, по архитектуре, по скорости передачи данных, по назначению, по типу среды передачи данных и др. Рассмотрим некоторые из этих классификаций.

По территориальной распространённости выделяют:

• локальные сети или LAN (англ. Local Area Network) — сети, состоящие из близко расположенных компьютеров;
• глобальные сети или WAN (англ. Wide Area Network) — сети, охватывающие большие территории и включающие большое число компьютеров.

По архитектуре различают:

• одноранговые сети, в которых все компьютеры имеют равные права — каждый компьютер может предоставлять собственные ресурсы другим компьютерам сети и использовать ресурсы остальных. Такая организация позволяет сохранять работоспособность сети при любом количестве и любом сочетании её участников. В одноранговой сети все компьютеры работают независимо друг от друга, у них нет единого центра. Такую сеть сложно обслуживать — руководить доступом к ресурсам, устанавливать и обновлять программное обеспечение на отдельных компьютерах, защищать от вмешательства посторонних пользователей, от вирусных атак и т. п.;
• сети с выделенным сервером — сети, в которых один или несколько компьютеров являются серверами, а все остальные — клиентами. Как правило, сервер мощнее и защищён лучше большинства клиентов. На сервере проще организовать доступ к данным только клиентам с соответствующими правами. Основной недостаток таких сетей в том, что неработоспособность сервера может привести к неработоспособности всей сети.

Скорость передачи данных по сети — это количество бит данных, которые могут быть переданы за одну секунду. Пропускная способность — это максимальная скорость передачи данных. По скорости передачи данных различают:

• низкоскоростные сети (до 10 Мбит/с);
• среднескоростные сети (до 100 Мбит/с);
• высокоскоростные сети (свыше 100 Мбит/с).

Что такое IP-адрес

IP-адрес однозначно идентифицирует устройство в сети. Вы видели эти адреса раньше; они выглядят примерно как 192.168.1.34.

IP-адрес всегда представляет собой набор из четырех таких чисел. Каждый номер может находиться в диапазоне от 0 до 255. Таким образом, полный диапазон IP-адресов составляет от 0.0.0 до 255.255.255.255.

Причина, по которой каждый номер может достигать 255, заключается в том, что каждое из чисел представляет собой восьмизначное двоичное число (иногда называемое октетом). В октете число ноль будет обозначено как 00000000, а число десятичное 255 будет иметь вид 11111111, – это максимальное число, которого мы можем достигнуть в рамках октета. IP-адрес, упомянутый выше (192.168.1.34) в двоичном формате, будет выглядеть так: 11000000.10101000.00000001.00100010 .

Компьютеры работают с двоичным форматом, но нам, людям, гораздо проще работать с десятичным форматом. Тем не менее, зная, что адреса фактически являются двоичными числами, нам легче будет понять, почему некоторые вещи, связанные с IP-адресами, работают так, как они это делают.

Структура IP-адреса

Разберём структуру IP-адреса на примере самого первого и распространённого интернет-протокола IPv4.

IP-адрес IPv4 имеет 32-битную (4 байта) структуру. Он разделён на 4 части, каждая из которых состоит из 8 бит (1 байт) и называется октетом. Каждый бит IP-адреса – цифра двоичной системы.

Пример адреса (IPv4) в двоичном виде: 11000000.10101000.00110010.00000001 .

При преобразовании октета с двоичной системы в десятеричную получается одно число со значением от 0 до 255.

IP-адрес в десятичном виде: 192.168.50.1 .

Маска подсети

Устройства различают части IP-адреса при помощи маски подсети – 32-битной строки, разделённой на 4 октета, как и IP-адрес. При установке соединения каждый октет IP-адреса сопоставляется с октетом маски подсети.

По умолчанию в стандартной домашней сети маска подсети имеет вид: 255.255.255.0 .

В примере маска IP-адреса указана в десятичном представлении и содержит числа «255» и «0». Первое отвечает за идентификацию сети, а второе за обозначение конечного узла.

Классы IP-адресов

• Класс A. Старший бит в адресах такого формата всегда равен 0. За идентификацию сети отвечает начальный октет, позволяющий разместить 127 уникальных сетей. Оставшиеся 3 октета используются для обозначения узлов, максимальное количество которых составляет 17 млн. на каждую сеть.
• Класс B. Первые биты IP-адреса равны 10. Начальные два октета относятся к идентификатору сети, а последние два – к идентификатору узла. Возможно создание 16384 сетей, каждая из которых поддерживает размещение 65000 узлов.
• Класс C. Начальные биты IP-адреса равны 110. За идентификацию сети отвечают первые три октета, позволяющие создать 2 млн. сетей. Последний октет отводится для идентификации узлов, максимальное число которых составляет 254 на каждую сеть.
• Класс D. Запись IP-адреса начинается с битов 1110. В сетях подобного формата используется широковещательная рассылка сообщений нескольким узлам.
• Класс E. IP-адреса зарезервированы для использования в будущем. Первые биты всегда равны 11110.

IP-адрес в классовой архитектуре сетевой адресации состоит из двух частей:

• Идентификатор сети. Определяет сеть, содержащую подключённые узлы.
• Идентификатор узла. Отвечает за обозначение узла – сервера, маршрутизатора или любого другого TCP/IP-устройства.

Важно! В связи с ограниченностью ресурса адресов IPv4, в настоящее время классовая адресация почти перестала использоваться. Ей на смену пришла технология бесклассовой междоменной маршрутизации (Classless Inter-Domain Routing, CIDR). Бесклассовая адресация более экономно использует диапазон адресов IPv4, так как в ней нет строгой привязки масок подсети к адресам подсети.

Типы IP-адресов

В IPv4 используется 3 типа адресов:

1. Индивидуальный (unicast);
2. Групповой (multicast);
3. Широковещательный (broadcast).

• Индивидуальный адрес — это адрес конкретного компьютера, именно такие адреса мы рассматривали выше.
• Групповой адрес — это адрес, который используется несколькими ПК. Если вы отправите данные на этот адрес, его получит несколько компьютеров в сети которые входит в эту группу.
• Широковещательный адрес — это такой адрес, который используется для получения данных всеми компьютерами в сети.

Широковещательный адрес

Широковещательный адрес в IP имеют следующий формат: (1.18)

• IP-адрес: 213.180.193.3/24
• Широковещательный адрес: 213.180.193.255

Часть которая относится к адресу сети остается без изменений, а в той части, которая относится к адресу хоста записываются в битовые единицы.

p, blockquote 34,0,0,0,0 —>

Мы уже встречались с широковещательными адресами в технологии канального уровня Ethernet. Важным отличием широковещательных адресов в сетевом уровне, является то, что широковещательные адреса используются только в пределах в одной подсети.

p, blockquote 35,0,0,0,0 —>

Маршрутизаторы не передают широковещательные пакеты в другую сеть, иначе можно очень быстро завалить всю глобальную сеть, в том числе весь Интернет, мусорными широковещательными пакетами.

p, blockquote 36,0,0,0,0 —>

Два широковещательных адреса

В IP используется 2 типа широковещательных адресов подходящих для двух различных сценарий (2.22)

p, blockquote 37,0,0,0,0 —>

p, blockquote 38,0,0,0,0 —>

Предположим что у нас есть 2 подсети объединенные между собой маршрутизатором. Если мы хотим отправить широковещательный пакет в рамках одной сети это называется ограниченное широковещание. В этом случае мы может использовать специальный широковещательный адрес, который состоит из всех битовых единиц (255.255.255.255). В этом случае данные получат все компьютеры в сети, а через маршрутизатор данные не пройдут.

p, blockquote 39,0,0,0,0 —>

Другой сценарий, когда компьютер, который находится за пределами нашей сети, хочет передать широковещательный пакет всем компьютерам, которые находится в нашей сети это называется направленное широковещание. В этом случае широковещательный IP адрес будет выглядеть 192.168.0.255, адрес подсети, в которую мы хотим отправить широковещательный пакет и битовые единицы в той части, которая относится к адресу хоста. Как произойдет обработка такого пакета? Пакет передаётся маршрутизатору и маршрутизатор уже разошлёт этот пакет в широковещательном режиме, но только в передах одной подсети, для которой предназначается этот широковещательный пакет.

p, blockquote 40,0,0,0,0 —>

Главные типы адресов для отправления конкретного пакета информации

Таких типов несколько, и каждый из них задает собственный номер для узла. Рассмотрим каждый класс IP-адреса подробно.

Клиентские

Тарифный план на предоставление интернета, заключенный с тем или иным провайдером, может быть как общедоступным, так и частным. Эти определения характеризуют порядок сетевого расположения. При этом частный номер применяется внутри сети, а общедоступный за ее границами.

Клиентские адреса по определению должны быть общедоступными. Об этом прописано в договоре провайдера на оказание услуг.

Частные

Все устройства, которые, например, синхронизируются с точной доступа Wi-Fi, обладают частным IP. Здесь речь идет о множестве приборов: ноутбуках, смартфонах, планшетах, телевизорах, модемах, принтерах.

Роутер производит идентификацию всех устройств, подключенных к нему, а некоторые приборы, определяют друг друга. Благодаря этому каждое устройство на главном компьютере можно разграничить и назвать.

Общедоступные

Это главный адрес сети. Он совмещает в себе идентификационные номера всех устройств, находящихся в одной сети. Общедоступный адрес направляется непосредственно провайдеру интернета, с которым у пользователя заключен договор на оказание услуг. Общедоступные адреса, в свою очередь, делятся на динамические и статические.

Динамические

Это номера, которые автоматически изменяются с заметной регулярностью провайдером интернета. Дело в том, что провайдеры самостоятельно присваивают каждому клиенту собственный индивидуальный адрес, который впоследствии сменяется адресом, полученным от клиента, отказавшегося от предоставления услуг и расторгшего договор.

Это было придумано в целях экономии денег провайдера, которому также не придется заменять динамический адрес, когда клиент переедет на другое место жительства.

Статическая и динамическая адресация.

Статические

Данный тип IP никогда не меняется в отличие от рассмотренного выше. Статический адрес назначается сетью и остается неизменным на протяжении всего периода использования данного устройства.

Статические адреса в частности актуальны для людей и организаций, которые хотят иметь собственный сервер, а обычный пользователь может обойтись и без них.

Для веб-сайтов в интернете также есть собственное разграничение по IP. Об этом будет рассказано далее.

Уровни сетевой модели OSI и уровни TCP/IP

(OSI) Open System Interconnection — многоуровневая модель взаимодействия открытых систем, состоящая из семи уровней. Каждый из семи уровней предназначен для выполнения одного из этапов связи.

Для упрощения структуры большинство сетей организуются в наборы уровней, каждый последующий возводится над предыдущим.

Целью каждого уровня является предоставление неких сервисов для вышестоящих уровней. При этом от них скрываются детали реализации предоставляемого сервиса.

Протокол – формализованное правило, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах.

Протоколы, реализующие модель OSI никогда не применялись на практике, но имена и номера уровней используются по сей день.

1. Физический.
2. Канальный.
3. Сетевой.
4. Транспортный.
5. Сеансовый.
6. Представления.
7. Прикладной.

Для лучшего понимания приведу пример. Вы открываете страницу сайта в интернете. Что происходит?

Браузер (прикладной уровень) формирует запрос по протоколу HTTP (уровень представлений и сеансовый уровень), формируются пакеты, передаваемые на порт 80 (транспортный уровень), на IP адрес сервера (сетевой уровень). Эти пакеты передаются по сетевой карте компьютера в сеть (канальный и физический уровень).

Уровни OSI — краткий обзор

Физический уровень. Если коротко и просто, то на физическом уровне данные передаются в виде сигналов. Если передается число 1, то задача уровня передать число 1, если 0, то передать 0. Простейшее сравнение — связать два пластиковых стаканчика ниткой и говорить в них. Нитка передает вибрацию физически.

Канальный уровень. Канальный уровень это технология каким образом будут связаны узлы (передающий и принимающий), тут вспоминает топологию сетей: кольцо, шина, дерево. Данный уровень определяет порядок взаимодействия между большим количеством узлов.

Сетевой уровень. Объединяет несколько сетей канального уровня в одну сеть. Есть, например, у нас кольцо, дерево и шина, задача сетевого уровня объединить их в одну сеть, а именно — ввести общую адресацию. На этом уровне определяются правила передачи информации:

1. Сетевые протоколы (IPv4 и IPv6).
2. Протоколы маршрутизации и построения маршрутов.

Транспортный уровень обеспечивает надежность при передачи информации. Он контролирует отправку пакетов. Если пакет отправлен, то должно придти (на компьютер который отправлял пакет) уведомление об успешной доставке пакета. Если уведомление об успешной доставке не поступило то нужно отправить пакет еще раз. Например TCP и UDP.

Сеансовый уровень. Отвечает за управление сеансами связи. Производит отслеживание: кто, в какой момент и куда передает информацию. На этом уровне происходит синхронизация передачи данных.

Уровень представления. Уровень обеспечивает «общий язык» между узлами. Благодаря ему если мы передаем файл с расширением .doc, то все узлы понимают что это документ Word, а не музыка. На этом уровне к передаваемым пакетам данных добавляется потоковое шифрование.

Прикладной уровень. Осуществляет взаимодействие приложения (например браузера) с сетью.

Уровни TCP/IP

Набор протоколов TSP/IP основан на собственной модели, которая базируется на модели OSI.

• Прикладной, представления, сеансовый = Прикладной.
• Транспортный = Транспортный.
• Сетевой = Интернет.
• Канальный, физический = Сетевой интерфейс.

Уровень сетевого интерфейса

Уровень сетевого интерфейса (называют уровнем 2 или канальным уровнем) описывает стандартный метод связи между устройствами которые находятся в одном сегменте сети.

Сегмент сети — часть сети состоящая из сетевых интерфейсов, отделенных только кабелями, коммутаторами, концентраторами и беспроводными точками доступа.

Этот уровень предназначен для связи расположенных недалеко сетевых интерфейсов, которые определяются по фиксированным аппаратным адресам (например MAC-адресам).

Уровень сетевого интерфейса так же определяет физические требования для обмена сигналами интерфейсов, кабелей, концентраторов, коммутаторов и точек доступа. Это подмножество называют физическим уровнем (OSI), или уровнем 1.

Например, интерфейсы первого уровня это Ethernet, Token Ring, Point-to-Point Protocol (PPP) и Fiber Distributed Data Interface (FDDI).

Немного о Ethernet на примере кадра web-страницы

Пакеты Ethernet называют кадрами. Первая строка кадра состоит из слова Frame. Эта строка содержит общую информацию о кадре.

Далее в кадре располагается заголовок — Ethernet.

После заголовка кадра идет заголовок протокола IPv4, TCP и HTTP.

В конце идет заголовок HTTP с запросом GET (GET — один из вариантов запроса к веб-серверу).

Таким образом цель кадра — запрос содержимого веб-страницы которая находится на удаленном сервере.

В полном заголовке Ethernet есть такие значения как DestinationAddress и SourceAddress которые содержат MAC-адреса сетевых интерфейсов.

DestinationAddress показывает MAC шлюза в локальной сети, а не веб-сервера, так как протоколы 2-го уровня «не видят» дальше локальной сети.

Поле EthernetType указывает на следующий протокол более высокого уровня в кадре (IPv4).

Коммутаторы считывают адреса устройств локальной сети и ограничивают распространение сетевого трафика только этими адресами. Поэтому коммутаторы работают на уровне 2.

Уровень Интернета

Уровень интернета называют сетевым уровнем или уровнем 3. Он описывает схему адресации которая позволяет взаимодействовать устройствам в разных сетевых сегментах.

На уровне интернета преимущественно работает протокол IP, работающие на уровне 3 устройства — маршрутизаторы. Маршрутизатор читает адрес назначения пакета, а затем перенаправляет сообщение по соответствующему пути в пункт назначения. Подробнее о маршрутизации вы можете почитать в статье маршрутизация в windows.

Если адрес в пакете относится к локальной сети или является широковещательным адресом в локальной сети, то по умолчанию такой пакет просто отбрасывается. Поэтому говорят, что маршрутизаторы блокируют широковещание.

Стек TCP/IP реализован корпорацией Microsoft ну уровне интернета (3). Изначально на этом уровне использовался только один протокол IPv4, позже появился протокол IPv6.

Протокол версии 4 отвечает за адресацию и маршрутизацию пакетов между узлами в десятках сегментах сети. IPv4 использует 32 разрядные адреса. 32 разрядные адреса имеют довольно ограниченное пространство, в связи с этим возникает дефицит адресов.

Протокол версии 6 использует 128 разрядные адреса. Поэтому он может определить намного больше адресов. В интернете не все маршрутизаторы поддерживают IPv6. Для поддержки IPv6 в интернете используются туннельные протоколы.

В Windows по умолчанию включены обе версии протоколов.

Транспортный уровень

Транспортный уровень модели TCP/IP представляет метод отправки и получения данных устройствами. Так же он создает отметку о предназначении данных для определенного приложения. В TCP/IP входят два протокола транспортного уровня:

1. Протокол TCP. Протокол принимает данные у приложения и обрабатывает их как поток байт.Байты группируются, нумеруются и доставляются на сетевой хост. Получатель подтверждает получение этих данных. Если подтверждение не получено, то отправитель отправляет данные заново.
2. Протокол UDP.Этот протокол не предусматривает гарантию и подтверждение доставки данных. Если вам необходимо надежное подключение, то стоит использовать протокол TCP.

Прикладной уровень

Прикладной уровень — это этап связи на котором сетевые сервисы стандартизированы. Многие знают протоколы прикладного уровня: POP3, HTTP, Telnet, FTP и другие. Как правило программы работающие с этими протоколами имеют дружественный, интуитивно-понятный интерфейс.
Изучив этот материал вы изучили основы компьютерных сетей.

Обучаю HTML, CSS, PHP. Создаю и продвигаю сайты, скрипты и программы. Занимаюсь информационной безопасностью. Рассмотрю различные виды сотрудничества.

Публичные и частные IP-адреса

Всем узлам, подключенным непосредственно к Интернету, необходим уникальный публичный IP-адрес. Поскольку количество 32-битных адресов конечно, существует риск, что их не хватит. В качестве одного из решений было предложено зарезервировать некоторое количество частных адресов для использования только внутри организации. В этом случае внутренние узлы смогут обмениваться данными друг с другом без использования уникальных публичных IP-адресов.

В соответствии со стандартом RFC 1918 было зарезервировано несколько диапазонов адресов класса A, B и C. Как видно из таблицы, в диапазон частных адресов входит одна сеть класса A, 16 сетей класса B и 256 сетей класса C. Таким образом, сетевые администраторы получили определенную степень свободы в плане предоставления внутренних адресов.

В очень большой сети можно использовать частную сеть класса A, где можно создать более 16 миллионов частных адресов.

В сетях среднего размера можно использовать частную сеть класса B с более чем 65 000 адресов.

В домашних и небольших коммерческих сетях обычно используется один частный адрес класса C, рассчитанный на 254 узла.

Одну сеть класса A, 16 сетей класса B или 256 сетей класса C могут использовать организации любого размера. Многие организации пользуются частной сетью класса A.

Узлы из внутренней сети организации могут использовать частные адреса до тех пор, пока им не понадобится прямой выход в Интернет. Соответственно, один и тот же набор адресов подходит для нескольких организаций. Частные адреса не маршрутизируются в Интернете и быстро блокируются маршрутизатором поставщика услуг Интернета.

При подключении сети предприятия, в которой используются частные адреса, к сети Internet необходимо обеспечить преобразование частных адресов в открытые. Такой процесс называется трансляцией сетевых адресов (Network Address Translation — NAT) и обычно выполняется маршрутизатором.

Частные адреса можно использовать как меру безопасности, поскольку они видны только в локальной сети, а посторонние получить прямой доступ к этим адресам не могут.

Кроме того, существуют частные адреса для диагностики устройств. Они называются адресами обратной связи. Для таких адресов зарезервирована сеть 127.0.0.0 класса А.