Адресация в компьютерных сетях

Компьютерные сети
Теория
Автор
принадлежность

Бизюк Андрей

ВГТУ

Дата публикации

3 декабря 2024 г.

Адресация в компьютерных сетях

Описание

Адресация в сетях - это процесс присвоения идентификаторов устройствам и ресурсам в компьютерной сети, чтобы их можно было идентифицировать и связывать друг с другом. Адресация в сетях позволяет устройствам определить, куда отправить данные и какие устройства будут принимать данные внутри сети. Есть различные виды адресации в сетях:

MAC-адресация (Media Access Control)

Описание

MAC-адрес (Media Access Control address) — это уникальный аппаратный адрес сетевой карты в компьютерной сети. Этот адрес используется на канальном уровне OSI-модели и служит для идентификации устройств в локальной сети (LAN). Каждая сетевая карта, независимо от того, является ли она сетевой картой в компьютере, маршрутизаторе, коммутаторе или другом устройстве, имеет уникальный MAC-адрес.

Уникальность

Каждый MAC-адрес должен быть уникальным в пределах одной локальной сети. Это обеспечивает идентификацию конкретного устройства в сети.

Глобальный и локальный адрес

MAC-адреса делятся на глобальные (или уникальные) и локальные. Глобальные MAC-адреса управляются IEEE и присваиваются производителям сетевых устройств, а локальные MAC-адреса могут быть настроены вручную.

Формат

MAC-адрес представляет собой 48-битное число, обычно записываемое в виде 12 шестнадцатеричных цифр, разделенных двоеточиями или дефисами. Например, 00:1A:2B:3C:4D:5E.

Пример использования MAC-адресов в сети:

  • Когда устройство отправляет данные в локальной сети, оно использует MAC-адрес получателя, чтобы найти конкретное устройство в сети и передать данные ему.

  • Когда данные покидают локальную сеть и направляются в Интернет, маршрутизатор заменяет MAC-адрес исходного отправителя своим собственным MAC-адресом.

IP-адресация (Internet Protocol)

Описание

IP-адреса являются логическими адресами, которые присваиваются устройствам в сети, чтобы они могли связываться друг с другом на глобальном уровне. IP-адресация используется на сетевом уровне OSI-модели и позволяет маршрутизаторам и коммутаторам направлять данные между различными сетями.

IPv4

IPv4 (Internet Protocol version 4) - это четвертая версия протокола Интернета (IP), один из основных компонентов сетей TCP/IP. Он был разработан в 1981 году и остается одним из наиболее широко используемых протоколов для передачи данных в компьютерных сетях по всему миру. IPv4 использует 32-битные адреса и является предшественником IPv6 (Internet Protocol version 6), который использует более длинные 128-битные адреса.

32-битные адреса

IPv4 адреса представлены в виде четырех октетов (8 битов каждый) и записываются в виде четырех десятичных чисел, разделенных точками. Пример IPv4 адреса: 192.168.1.1.

Идентификация устройств

IPv4 адреса используются для идентификации и маршрутизации данных к конкретным устройствам в сети. Каждое устройство, подключенное к сети, должно иметь уникальный IPv4 адрес.

Иерархическая структура

IPv4 адресация имеет иерархическую структуру, которая позволяет маршрутизаторам определять, какие сети и подсети находятся в сети Интернет, и как передавать данные между ними.

Недостаток адресов

Один из основных недостатков IPv4 - ограниченное количество доступных адресов. Всего существует около 4,3 миллиарда (2^32) уникальных IPv4 адресов. Это ограничение привело к исчерпанию доступных IPv4 адресов, особенно с увеличением числа подключенных устройств.

NAT (Network Address Translation)

Для справки с нехваткой IPv4 адресов в локальных сетях часто используется технология NAT, которая позволяет нескольким устройствам в локальной сети использовать один общий внешний IPv4 адрес для доступа в Интернет.

Переход к IPv6

Для преодоления ограничений IPv4 и обеспечения расширенного адресного пространства была разработана IPv6. IPv6 предоставляет гораздо больше уникальных адресов и является будущим стандартом для сетей, хотя IPv4 все еще широко используется и поддерживается в современных сетях.

IPv4

Формат адреса IPv4

IPv4 адрес состоит из четырех октетов (байтов), записанных в десятичной системе счисления и разделенных точками (двоеточиями). Каждый октет представляет собой 8 битов (1 байт).

Общая структура IPv4

x.x.x.x

Где каждое “x” - это десятичное число от 0 до 255, представляющее значение байта в соответствующем октете. Например:

192.168.1.1

В этом примере: - Первый октет равен 192. - Второй октет равен 168. - Третий октет равен 1. - Четвертый октет равен 1.

Совокупность этих четырех октетов образует уникальный IPv4 адрес для конкретного устройства в сети. IPv4 адрес используется для идентификации и маршрутизации данных к этому устройству. В сумме существует около 4,3 миллиарда (2^32) уникальных IPv4 адресов, что ограничивает количество устройств, которые можно подключить к сети IPv4, и приводит к необходимости внедрения IPv6 для решения этой проблемы и предоставления большего адресного пространства.

Структура октета

Каждый октет (байт) IPv4 адреса состоит из 8 битов. Эти биты используются для представления числа в диапазоне от 0 до 255 в десятичной системе счисления. Например, число 192 в бинарной системе равно 11000000.

Классы адресов

Исходно IPv4 адреса делились на пять классов (A, B, C, D и E) в зависимости от их структуры и назначения. Однако классовая адресация больше не активно используется, и сейчас адреса разделяются на публичные и частные, а также на подсети.

Публичные и частные адреса

IPv4 адреса можно разделить на две основные категории - публичные и частные адреса. Публичные адреса используются для доступа к устройствам в Интернете, в то время как частные адреса предназначены для использования в локальных сетях и не маршрутизируются в Интернете. Например, диапазоны частных адресов включают 192.168.0.0 до 192.168.255.255 и другие.

Маска подсети

Для дальнейшего разделения сетей и управления маршрутизацией в IPv4 используется маска подсети. Маска подсети определяет, какие биты в адресе относятся к сети, а какие - к устройствам. Например, если маска подсети /24, это означает, что первые 24 бита адреса относятся к сети, а остальные 8 бит к устройствам.

CIDR (Classless Inter-Domain Routing)

CIDR - это метод, который позволяет более гибко использовать IPv4 адресацию, позволяя объединять несколько подсетей и управлять ими более эффективно. В CIDR адресациях адрес и маска подсети записываются в формате /n, где n - количество битов в маске.

Натуральный и сетевой порядок

Когда байты в IPv4 адресе записываются слева направо (от старших к младшим), это называется “натуральным порядком”. Например, 192.168.1.1 записан в натуральном порядке. В порядке сетевого байта (network byte order), который используется в протоколах сетевого стека, байты записываются в обратном порядке, начиная с младшего. Например, адрес 192.168.1.1 в сетевом порядке байт будет выглядеть как 1.1.168.192.

Классы адресов

Ранее, в истории IPv4, IP-адреса делились на пять основных классов (A, B, C, D и E) в зависимости от их структуры и назначения. Эта классовая адресация была важной частью первоначальной системы адресации IPv4. Однако в настоящее время классовая адресация используется гораздо реже, и адресация IP более гибкая и разнообразная благодаря использованию CIDR (Classless Inter-Domain Routing).

  1. Класс A:
    • Диапазон адресов: 1.0.0.0 до 126.255.255.255.
    • Первый октет (8 битов) - сетевой байт, остальные три октета - для устройств.
    • Использование: Класс A адреса использовались для крупных сетей.
  2. Класс B:
    • Диапазон адресов: 128.0.0.0 до 191.255.255.255.
    • Первые два октета (16 битов) - сетевые байты, оставшиеся два октета - для устройств.
    • Использование: Класс B адреса использовались для средних сетей.
  3. Класс C:
    • Диапазон адресов: 192.0.0.0 до 223.255.255.255.
    • Первые три октета (24 бита) - сетевые байты, последний октет - для устройств.
    • Использование: Класс C адреса использовались для небольших сетей и организаций.
  4. Класс D:
    • Диапазон адресов: 224.0.0.0 до 239.255.255.255.
    • Эти адреса зарезервированы для мультикастовой коммуникации и используются для групповой передачи данных.
  5. Класс E:
    • Диапазон адресов: 240.0.0.0 до 255.255.255.255.
    • Эти адреса также зарезервированы и не используются в общих сетях. Они предназначены для экспериментальных и будущих применений.

Классы A, B и C были наиболее распространенными и использовались для назначения IP-адресов в компьютерных сетях. Однако проблемой классовой адресации было то, что она не предоставляла достаточной гибкости для эффективного использования адресов, и многие адреса оставались неиспользованными. CIDR и более гибкие методы адресации позволили лучше управлять доступными IP-адресами и более эффективно использовать их в современных сетях.

IPv6

Описание IPv6

IPv6 (Internet Protocol version 6) - это последняя версия протокола Интернета (IP), разработанная для замены устаревшей версии IPv4 (Internet Protocol version 4). Основной целью разработки IPv6 было решение проблемы исчерпания доступных IPv4 адресов и предоставление более расширенного и устойчивого адресного пространства для растущего числа подключенных устройств в Интернете. IPv6 считается будущим стандартом для сетей и в настоящее время активно внедряется по всему миру. Многие сетевые устройства и провайдеры уже поддерживают IPv6, и с течением времени ожидается постепенное замещение IPv4 на IPv6 в сетях, поскольку запасы доступных IPv4 адресов исчерпываются.

128-битные адреса

Главное отличие IPv6 от IPv4 - это использование 128-битных адресов, вместо 32-битных адресов IPv4. Это позволяет создавать гораздо больше уникальных адресов (порядка 340 триллионов триллионов триллионов), что делает IPv6 более масштабируемым.

Уникальность адресов

IPv6 адреса предоставляют возможность каждому устройству в Интернете иметь уникальный адрес. Это упрощает и улучшает маршрутизацию данных и устраняет необходимость в использовании NAT (Network Address Translation) для локальных сетей.

Улучшенная безопасность

IPv6 включает в себя механизмы безопасности, такие как IPsec (Internet Protocol Security), которые могут обеспечить конфиденциальность, целостность и аутентификацию данных, передаваемых по сети.

Автоконфигурация

IPv6 поддерживает механизмы автоконфигурации, что облегчает настройку устройств в сети. Устройства могут сами определить свой IPv6 адрес без необходимости вручную настраивать каждое устройство.

Иерархическая адресация

IPv6 адресация имеет иерархическую структуру, подобную IPv4, но с более длинными адресами. Это позволяет эффективно маршрутизировать трафик и создавать более сложные сети.

Поддержка мультимедийных приложений и приложений реального времени

IPv6 предоставляет улучшенную поддержку мультимедийных приложений и приложений реального времени, что важно для современных сетей, поддерживающих потоковое видео, VoIP и другие подобные сервисы.

Формат адреса IPv6

IPv6 (Internet Protocol version 6) использует 128-битные адреса, что делает его гораздо более емким по сравнению с 32-битными адресами IPv4. Этот более длинный адресный формат IPv6 записывается в виде восьми групп по 16 бит (16 бит - это 4 шестнадцатеричных символа), разделенных двоеточиями.

Общий формат IPv6

xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx

Каждая группа состоит из шестнадцатеричных символов (0-9, a-f), и каждая группа представляет собой 16 бит. Например:

2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

Этот IPv6 адрес разбит на восемь групп, где каждая группа состоит из четырех шестнадцатеричных символов. Заметьте, что в адресе можно опускать ведущие нули в каждой группе, чтобы сделать его более компактным. Например, вышеприведенный адрес можно записать как:

2001:db8:85a3:0:0:8a2e:370:7334

Если в IPv6 адресе присутствуют последовательности нулей (называемые “сжатием нулей”), то их можно заменить двойным двоеточием (::). Например:

2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0050

Можно записать как:

2001:db8::50

Здесь двойное двоеточие указывает на то, что между ними находятся все нулевые группы.

IPv6 адреса могут быть с латинскими буквами в нижнем или верхнем регистре, их регистр не имеет значения (например, ABCD:1234::5678 и abcd:1234::5678 - это один и тот же адрес).

Уровень IP и подсеть

IPv6 адрес включает в себя две части: идентификатор сети (network ID) и идентификатор интерфейса (interface ID). Например, 2001:db8:1234:5678::abcd, где 2001:db8:1234:5678 - это идентификатор сети, а abcd - это идентификатор интерфейса.

Многоуровневая иерархия

IPv6 адресация подразумевает иерархическую структуру сети, где более старшие биты адреса определяют сеть или подсеть, а младшие биты - конкретное устройство в этой сети.

Префиксы подсетей

IPv6 адресация обычно организуется с использованием префиксов подсетей, которые указывают, какие биты адреса относятся к сети и какие - к устройству. Префикс подсети указывается в формате /n, где n - количество битов, отведенных под сеть. Например, 2001:db8:1234:5678::/64 означает, что первые 64 бита адреса относятся к сети, а остальные 64 бита - к устройству в этой сети.

Глобальная идентификация сети

Некоторые IPv6 адреса могут быть глобально уникальными и предназначаться для идентификации сети в Интернете. Эти адреса могут быть использованы для маршрутизации данных к определенным сетям.

Поддержка любых символов

IPv6 адреса могут содержать любые символы из шестнадцатеричной системы счисления (0-9, a-f), и их регистр не имеет значения. Это позволяет использовать различные комбинации для удобства и улучшения читаемости.

Портовая адресация

Описание

Порты используются в комбинации с IP-адресами для указания конкретных служб или приложений на устройствах. Это позволяет множеству приложений работать одновременно на одном устройстве. Порты представляются числами (обычно 16-битными), и они определены стандартами для различных служб (например, порт 80 для HTTP).

Доменные имена

DNS

DNS, или Domain Name System (система доменных имен), представляет собой распределенную базу данных, используемую в Интернете для преобразования человеко-читаемых доменных имен, таких как “www.example.com”, в числовые IP-адреса, которые используются для маршрутизации данных в сети. DNS выполняет ключевую роль в работе Интернета, так как облегчает доступ к веб-сайтам и другим сетевым ресурсам по имени, вместо необходимости запоминать числовые IP-адреса. DNS является фундаментальной частью работы Интернета, и без него было бы невозможно удобно обращаться к веб-сайтам и другим сетевым ресурсам по их доменным именам. Этот протокол играет важную роль в обеспечении удобства и эффективности работы Интернета.

Доменные имена

DNS преобразует доменные имена, такие как “www.example.com”, в IP-адреса, такие как “192.0.2.1”. Доменные имена организованы в иерархическую структуру, начиная с корневых доменов (например, “.com”, “.org”) и разделяясь на поддомены (например, “example.com”, “sub.example.com”). Эта иерархическая структура делает DNS масштабируемой и удобной для организации доменных имен.

DNS-серверы

DNS-серверы - это серверы, которые хранят информацию о доменных именах и их соответствующих IP-адресах. Существует два основных типа DNS-серверов: рекурсивные и авторитетные. Рекурсивные DNS-серверы запрашивают информацию у других DNS-серверов, если они не имеют запрошенной записи в своей кэшированной базе данных. Авторитетные DNS-серверы хранят официальные записи для конкретных доменов.

Распределенная база данных

Информация в DNS распределена по всему миру на тысячах DNS-серверов. Эти серверы синхронизируются и обновляются регулярно, чтобы обеспечивать актуальность данных.

DNS-запросы и ответы

Когда пользователь вводит веб-адрес в веб-браузере (например, “www.example.com”), браузер отправляет DNS-запрос на рекурсивный DNS-сервер. Рекурсивный DNS-сервер ищет запрошенный IP-адрес, начиная с корневых серверов, и передает ответ обратно браузеру. Этот ответ может быть закэширован для будущего использования, ускоряя последующие запросы.

Кэширование

DNS-серверы могут кэшировать результаты запросов на определенное время. Это позволяет снизить нагрузку на DNS-инфраструктуру и ускорить доступ к часто посещаемым ресурсам.

Наверх