Adresacja w sieci komputerowej

Transkrypt

1 1 Adresacja w sieci komputerowej Idea transferu danych pomiędzy dwoma punktami sieci: w czasie podróży przez sieć dane umieszczone są w pakietach IP każdy pakiet (jednostka warstwy 3 OSI sieciowej) posiada nagłówek, którego dwoma najważniejszymi polami są: źródłowy adres IP i docelowy adres IP pakiet jest hermetyzowany w ramce każda ramka (jednostka warstwy 2 OSI łącza danych) posiada nagłówek, który zawiera: źródłowy adres MAC i docelowy adres MAC transmisja danych polega na przechodzeniu pakietów od źródła do celu pomiędzy kolejnymi węzłami (routerami) sieci - na każdym interfejsie analizowana jest tablica routingu i router określa następny przeskok PAKIET JEST PRZESYŁANY PRZY UŻYCIU ADRESU MAC NASTĘPNEGO WĘZŁA! NAGŁÓWKI IP NADAWCY I ADRESATA NIE ZMIENIAJĄ SIĘ! A B

2 2 Adresy warstwy łącza danych adres MAC (Media Access Control) 48 bitów jednoznacznie identyfikują każde fizyczne połączenie urządzenia do sieci adres MAC jest nazywany adresem BIA (Burned-In Address) ponieważ jest wypalony w pamięci stałej (ROM) i kopiowany do pamięci operacyjnej (RAM), gdzie inicjalizowany jest proces karty sieciowej jest to schemat adresowania używany w sieciach lokalnych Ethernet (także: Token Ring, FDDI) I/G: adres indywidualny/grupowy 0 = unicast 1 = multicast U/L: adres uniwersalny/lokalny 0 = globalnie unikalny 1 = przyznany lokalnie OUI: Organizationally Unique Identifier unikalny kod wytwórcy NIC Network Interface Controller numer seryjny urządzenia jak używany jest adres MAC host wysyłający wpisuje w nagłówek ramki adres MAC hosta docelowego i wysyła dane do sieci lokalnej o aby host wysyłający poznał adres MAC hosta docelowego musi skorzystać z usług protokołu ARP

3 3 Adresy warstwy sieciowej Adresy IPv4 standard pochodzi z 1981 roku 4 oktety (4x8bitów), notacja dziesiętna z kropkami adresy w zakresie od do każdy interfejs sieciowy (host lub router mogą ich mieć kilka) w sieci TCP/IP musi posiadać swój niepowtarzalny adres IP ten adres warstwy sieciowej pozwala zlokalizować host w sieci przykład: przydziałem prefiksów sieciowych zajmuje się organizacja IANA: Internet Assigned Numbers Authority (IANA) poprzez regionalne (kontynentalne) biura adresy IP mają strukturę hierarchiczną: o adres sieci - każda sieć ma własny niepowtarzalny adres na poziomie intersieci (w Internecie) o adres hosta - każdy host ma własny niepowtarzalny adres na poziomie sieci <adres IP>= <adres sieci>.<adres hosta> tradycyjne adresy klasowe adresy IPv4 dzieli się na klasy zgodnie ze strukturą hierarchiczną zaproponowaną przez IETF (RFC 950) kryterium podziału jest zakres liczbowy pierwszego oktetu ZAKRES PIERWSZEGO OKTETU BINARNIE ZAKRES PIERWSZEGO OKTETU DZIESIĘTNIE NAJBARDZIEJ ZNACZĄCE BITY klasa A (#126 brak 0,127) 0 klasa B (#64) 10 klasa C (#32) 110 klasa D (#16) 1110 klasa E (#16) 1111 adres sieci obejmuje: klasa A pierwszy oktet, klasa B dwa pierwsze oktety, klasa C trzy pierwsze oktety przynależność do klasy decyduje o ilości obsługiwanych sieci i hostów

4 4 Alokacja adresów: A 50% B 25% C 12.5% D,E 12.5% LICZBA SIECI LICZBA HOSTÓW W SIECI klasa A 2 7-2= = klasa B 2 6 *2 8-2= =65534 klasa C 2 5 *2 8 *2 8-2= =254 niektóre adresy hosta są zarezerwowane i nie wolno ich używać do adresacji hostów w sieci o adres sieci używany do identyfikacji samej sieci składa się z samych binarnych zer w części hosta adresu IP o adres rozgłoszeniowy używany do rozsyłania pakietów do wszystkich hostów w sieci składa się z samych binarnych jedynek w części hosta adresu IP istnieją dwie metody przydziału adresów IP hostom w sieci o statycznie administrator nadaje ręcznie adres IP każdemu hostowi w sieci sprawdza się to przy małych, wolno zmiennych sieciach; niektóre hosty w sieci (jak serwery, drukarki itp.) powinny mieć jednak stałe adresy IP, aby inne hosty zawsze wiedziały jak o dynamicznie rodzaje transmisji o unicast transmisja pojedyncza z jednego IP do drugiego (wszystkie hosty w segmencie rozgłoszeniowym sieci słuchają, ale pakietu nie odrzuci tylko właściwy, do którego był adresowany) o broadcast transmisja rozgłoszeniowa np. dla zlokalizowania serwera DNS lub DHCP (w segmencie rozgłoszeniowym sieci wszystkie hosty przeczytają pakiet, ale tylko jeden odpowie np. serwer DNS przez unicast do hosta, który prosił o usługę) o multicast transmisja grupowa np. rozsyłanie informacji routingu pomiędzy routerami z jednego routera do wszystkich sąsiadów, używane są tu adresy klasy D

5 5 Maska sieciowa 4 oktety, notacja kropkowo-dziesiętna maskuje jedynkami część sieciową adresu IP, w części hosta ma same zera np = = /16 dla urządzeń sieciowych (hosty i routery) jest informacją o adresie sieci, do której host docelowy o danym IP należy adres sieci obliczany jest w operacji binarnej koniunkcji (AND) np.adres IP = , maska IP = AND maska = adres sieci = = określanie komputerów lokalnych i odległych: hosty, które mają takie same adresy sieci (wyznaczone przez maskę) są w tym samym segmencie sieci i określane są jako lokalne hosty, które mają różne adresy sieci (wyznaczone przez maskę), to hosty odległe względem siebie (pomiędzy nimi jest przynajmniej jeden router) np. host A: host B: maska: maska: komputery są względem siebie lokalne komputery są względem siebie odległe (przedzielone ruterem) maska z definicji jest ciągła tzn. część sieciowa składa się z samych jedynek, a część hosta z samych zer

6 6 adresy pojedyncze (unicast) Adresy klasy A Obsługa bardzo dużych sieci OKTET SIEĆ HOST Pierwszy bit adresu: 0 Maska domyślna: Zakres adresów: Brak sieci: i Liczba sieci: 2 7-2=126 Każda sieć klasy A może obsługiwać = hostów Brak hostów: S i S Adresy klasy B Obsługa sieci dużych i średnich OKTET SIEĆ HOST Pierwsze dwa bity: 10 Maska domyślna: Zakres adresów: Brak sieci: i Liczba sieci: 2 6 *2 8-2=16382 Każda sieć klasy B może obsługiwać =65534 hostów Brak hostów: S.S.0.0 i S.S Adresy klasy C Obsługa małych sieci OKTET SIEĆ HOST Pierwsze trzy bity: 110 Maska domyślna: Zakres adresów: Brak sieci: i Liczba sieci: 2 5 *2 8 *2 8-2= Każda sieć klasy C może obsługiwać: 2 8-2=254 stacje Brak hostów: S.S.S.0 i S.S.S.255

7 7 adresy grupowe (multicast) Adresy klasy D Adresy przeznaczone do multiemisji (multicast) do wielu zdefiniowanych grup adresów IP np. routery używają takich adresów do rozgłaszania informacji routingu brak bitów sieci lub hosta przykłady: wiadomości hello protokołu OSPF: , wiadomości protokołu RIP-2: OKTET DOTYCZY WYBRANYCH HOSTÓW Pierwsze cztery bity adresu: 1110 Zakres adresów: = /4 Adresy klasy E Adresy przeznaczone do badań Pierwsze cztery bity adresu: 1111 Zakres adresów: OKTET DOTYCZY WYBRANYCH HOSTÓW Adresy specjalne: adres sieci - <adres sieci>.(0) ukierunkowany adres rozgłaszania - <adres sieci>.(255) lokalny adres rozgłaszania adres zerowy interpretowany jako komunikat tylko ta sieć adres sieci lokalnej - (0).<adres stacji>

8 8 Adresy zarezerwowane: ID SIECI UŻYCIE /8 publiczne sieci danych /8 sieci telewizji kablowej /8 zarezerwowane /8 pętla zwrotna /16 zarezerwowane /16 adresy usług lokalnych /16 zarezerwowane /24 zarezerwowane /24 test sieci szkieletowej klasa C /24 test Internetu - klasa C /24 nie przydzielone /23 lokalne sieci szkieletowe /24 światłowodowe sieci szkieletowe /24 Sieci Apollo /24 6to4 Relay Anycast /15 Network Interconnect Device Benchmark Testing /24 zarezerwowane /4 zarezerwowane adresy prywatne (RFC 1918) adresy IP wykluczone do stosowania przy bezpośrednim dostępie do Internetu używa się ich w sieciach wewnętrznych używanie tych adresów jest dowolne, nie trzeba przydziału od organizacji IANA organizacje stosujące te adresy a chcące przyłączyć swoje sieci do Internetu muszą dokonać zmiany adresów IP przez (wybór): o zmianę struktury adresowej na publiczną o translację adresów prywatnych na publiczne - Network Address Translation (NAT) przeprowadza ją najczęściej router o zastosowanie serwera proxy zakresy w klasach: = / = / = /24

9 9 Problemy schematu adresowania IPv4 Przykład: Planujemy sieć na 300 komputerów. klasa C pozwala zaadresować maksymalnie 254 hosty potrzebowalibyśmy dwóch sieci klasy C: jednak obsługa dwóch sieci powiększa tabele tras potrzebowalibyśmy jednej sieci klasy B: jednak wtedy zmarnujemy ponad adresów Rozwiązanie: Rozszerzenia schematu adresowania maski podsieci maski podsieci o zmiennej długości (VLSM) bezklasowy wybór trasy między domenami (CIDR) Maski podsieci Pierwotna hierarchia była dwupoziomowa: <adres sieci> <adres stacji> RFC 950 specyfikuje podział sieci IP dowolnej klasy (A, B, C) na podsieci - uzyskujemy trzeci poziom hierarchii: <adres sieci> <adres podsieci> (identyfikujemy za pomocą maski podsieci) <adres stacji> podsieci dają możliwość podziału sieci lokalnej na wiele sieci przy jednoczesnej możliwości podłączenia takiej sieci lokalnej do Internetu przez jeden punkt router Internet widzi taką strukturę jako pojedynczy adres - co nie powoduje zbędnego, nieefektywnego rozrostu tablicy routingu, oraz ukrywa wewnętrzną strukturę sieci lokalnej podsieci są oddzielnymi domenami rozgłoszeniowymi, co oprócz eliminacji zbędnego ruchu wprowadza większe bezpieczeństwo, ponieważ dostęp do podsieci z innej podsieci jest możliwy tylko za pośrednictwem routera (a na routerze można zaimplementować filtracje ruchu (np. listy dostępu) czyli kryteria dostępu oparte o adresy IP i protokoły)

10 10 maska podsieci jest to zwykła, ciągła, 4-oktetowa maska sieciowa, której jednak części sieci oraz hosta nie muszą być ograniczone do pełnych (klasowych) oktetów wszystkie podsieci mają ten sam rozmiar tzn. w każdej podsieci może być jednakowa liczba hostów podsieć nie może mieć samych 0 (prefiks podsieci) lub samych 1 (adres rozgłoszeniowy w podsieci) w części hosta adresu IP podsieć z samymi 0 w części sieci jest nazywana Podsiecią Zero podziale na podsieci można myśleć jak o pożyczaniu bitów z części hosta adresu IP (maksymalna liczba bitów, której to dotyczy zależy od klasy adresu): im bardziej na prawo poruszamy się biorąc bity tym więcej podsieci tworzymy, im bardziej na lewo tym będzie więcej hostów w każdej podsieci poniższa arytmetyka binarna przy segmentacji adresów IP na podsieci dotyczy tylko oktetu, na który przypada granica bitowa pomiędzy częścią sieci a częścią hosta: dodatkowe pełne oktety sieciowe stanowią mnożnik 256 jeżeli pożyczamy n bitów z części hosta, to otrzymujemy: o 2 n wszystkich podsieci o adresy kolejnych podsieci są przesunięte względem siebie o 2 (8-n) począwszy od podsieci zerowej o 2 (8-n) -2 adresów IP w każdej podsieci: odrzucamy adres zerowy czyli adres podsieci oraz adres ostatni czyli adres rozgłoszeniowy w danej podsieci istnieje minimalna liczba bitów, które musimy zostawić, by numerowały hosty są to dwa bity (gdybyśmy zostawili tylko jeden bit, efektywnie na hosty zostałoby 2 1-2=0 adresów IP) (* połączenia, gdzie na numerację hostów zostaje jeden bit - maska /31 są dozwolone w łączach punkt-punkt np. pomiędzy dwoma routerami, wtedy jeden router bierze adres zerowy, a drugi adres pierwszy i nie powoduje to problemów używania adresów zarezerwowanych - RFC 3021)

11 11 Przykład 1 Możliwy podział przestrzeni adresowej klasy C ( ) na podsieci LICZBA BITÓW POŻYCZONYCH Z 4 OKTETU MASKA PODSIECI DZIESIĘTNIE MASKA PODSIECI BINARNIE LICZBA PODSIECI x.x.x = x.x.x = x.x.x = x.x.x = x.x.x = x.x.x = x.x.x (patrz *) x= LICZBA HOSTÓW W KAŻDEJ PODSIECI Podział sieci klasy C o adresie na 8 podsieci adres podstawowy: = podsieci trzeba pożyczyć 3 bity (2 3 =8) z czwartego oktetu = = = = = = = = Przykład 2 Nasza sieć ma przydzielony adres: Potrzebujemy 5 podsieci z 1500 hostami w każdej. 1. pierwszy oktet jest 132 jest to adres klasy B ( ) część sieciowa adresu klasy B to dwa pierwsze oktety (16 bitów) pozostałe 16 bitów to część hosta z tych bitów będziemy pożyczać by utworzyć podsieci zaczynamy od trzeciego oktetu, od bitu najstarszego: jeśli pożyczymy 3 bity mamy: 2 3 =8 podsieci (w nich zmieścimy 5 wymaganych podsieci)

12 12 trzeci oktet czwarty oktet podsieci hosty potrzebujemy 5 podsieci oznacza to, że mamy trzy podsieci wolne na przyszły rozwój sieci idąc od prawej do lewej zliczamy bity pozostałe na hosty: 8 bitów czwartego oktetu + 5 bitów trzeciego oktetu = 13 bitów =8190 hostów w każdej podsieci ponieważ to o wiele za dużo niż 1500 więc warto ograniczyć liczbę hostów w każdej podsieci, a pozyskane bity przeznaczyć na dodatkowe podsieci 2. jeśli pożyczymy z części hosta 5 bitów mamy: 2 5 =32 podsieci =2046 hostów w każdej podsieci (to spełnia nasze wymagania (1500 hostów w podsieci), a dodatkowo sprzyja przyszłemu rozwojowi sieci) 3. maska sieciowa będzie: (domyślnie dla klasy B) + 5 pierwszych bitów oktetu trzeciego = =248 łącznie w zapisie dziesiętnym: w zapisie krótkim: /21 4. kolejne podsieci następują co 2 3 =8 a więc: zakres adresów IP w podsieciach: IP: , adres rozgłoszeniowy: 7.255, wszystkich hostów: 256x8-2= IP: , adres rozgłoszeniowy: , wszystkich hostów: 256x8-2= IP: , adres rozgłoszeniowy: , wszystkich hostów: 256x8-2= IP: , adres rozgłoszeniowy: , wszystkich hostów: 256x8-2=2046

13 13 Przykład 3 pożyczenia bitów z części hosta więcej niż jednego oktetu Załóżmy sieć klasy B o adresie Pożyczymy na podsieci aż 10 bitów z części hosta zatem maska będzie /26 1. Będzie 2 10 =1024 podsieci do wykorzystania w adresacji. 2. Oktet, w którym przebiega podział na część sieciową i część hosta to oktet czwarty zostało tam na część hosta 6 bitów zatem podsieci będą przesunięte względem siebie o 2 6 =64 adresy IP Tak więc wszystkie podsieci to: Zauważmy, że po wyczerpaniu się oktetu czwartego, przebiegamy oktet trzeci robimy tak, ponieważ cały oktet trzeci należy do części sieciowej adresu IP. Sprawdzamy, że wszystkich podsieci jest: 4(w oktecie czwartym) x 256 (w oktecie 3) = 1024 zatem W każdej podsieci są: 2 6 =64 adresy, z tego 62 do wykorzystania w adresacji.

14 14 Maski podsieci o zmiennej długości Variable-Length Subnet Masking (VLSM) - RFC 1009 dotychczasowy podział na podsieci zakładał stałe maski a więc stały rozmiar podsieci jeśli mamy podsieci posiadające znacząco różne liczby hostów, stałe maski wprowadzają ogromne marnotrastwo ponieważ rozmiar podsieci jest ustalony przez największy segment sieci, w segmentach małych są niewykorzystane adresy IP rozwiązaniem są maski o zmiennej długości notacja: <adres sieci>/<ilość bitów rozszerzonego przedrostka sieci> Przykłady: Adres klasy C z podziałem na podsieci /27 8 równych podsieci Adres klasy C z techniką VLSM 8 różnych podsieci

15 15 Podział sieci klasy C na podsieci o różnych wymiarach z rysunku powyżej: oczywiście VLSM może być stosowany tylko w sieciach o których routery obsługują ten mechanizm o w których używa się protokołów routingu bezklasowego (a więc przenoszących informacje o masce)

16 16 Mechanizm CIDR Classless Inter-Domain Routing RFC , 1812 to bezklasowe wybieranie tras wprowadzone ze względu na wyczerpywanie się wolnych adresów IPv4 oraz wzrost rozmiaru tabel tras w Internecie to rezygnacja ze sztywnych klas adresów i stosowanie masek podsieci o dowolnej długości pozwala dostosować adres sieci do rozmiarów sieci a nie na odwrót CIDR jest oparty o idee tworzenia podsieci - różnica polega na tym, że mechanizm podsieci rozszerza klasowe adresy a CIDR nie tworzy żadnych podsieci (trzeciego stopnia w hierarchii), ponieważ ignoruje klasowość adresu pozwala na agregację tras Przykład adresu CIDR /20 = Sieć: = Host: = = organizacje stosujące adresy CIDR a chcące przyłączyć swoje sieci do Internetu muszą dokonać jednego z poniższych o zmiana struktury adresowej o zastosowanie NAT - Network Address Translation o zastosowanie serwera proxy zalety o ogranicza ilości informacji routing na routerach w szkielecie sieci o ograniczenie niestabilności tablicy routingu (tzw. flapping) wywołane przez szybkie zmiany dostępności sieci o lepsza administracja prefiksów o na zewnątrz rozgłaszane są tylko prefiksy domen, które chcemy, by były dostępne wymaganie: numery sieci muszą być kolejne i zaczynać się w odpowiednim miejscu przykład: nie można zagregować sieci: /24, /24, /24 bez zawarcia w adresie zagregowanym sieci /24

17 17 rozgłoszenia routingu: A: /21 B: /22 C: /23 D: /23 tablica ISP: /16 NAT: NETWORK ADDRESS TRANSLATION mapowanie 1-do-1 (np. adres publiczny do prywatnego) o NAT statyczny, bezstanowy, transformujący tylko część sieciową adresu o NAT dynamiczny w locie między pulami adresów, stanowy, jeśli pula jest wyczerpana - mapowanie nie zostanie zrobione (adres powraca do puli w przypadku zakończenia połączenia lub upłynięcia czasu)

18 18 NAPT: NETWORK ADDRESS PORT TRANSLATION pozwala wielu hostom używać pojedynczego adresu IP za pomocą oznaczania poszczególnych strumieni numerami portów TCP lub UDP przykład dwa hosty o adresach prywatnych: , wysyłają pakiety z portu źródłowego 1008 router mapuje te adresy na pojedynczy adres IP i dwa różne porty źródłowe i ruch zwrotny otrzymany na port jest rutowany do :1108, a ruch na port jest routwany do :1108 porty docelowe TCP i UDP, do których hosty o adresach prywatnych wysyłały strumienie pozostają niezmienione w tym modelu możliwy jest dostęp zewnętrznych hostów do np. serwera sieciowego wewnątrz sieci prywatnej zalety mapowania adresów topologia zewnętrzna może się zmieniać: klient może zmienić dostawcę, szkielet sieci organizacji może się zmieniać, dostawcy mogą się dzielić lub łączyć - bez mapowania adresów przypadki te pociągałyby za sobą zmianę adresaci wewnątrz organizacji dzięki mapowaniu adresów wewnętrza struktura organizacji może być ukryta przed światem zewnętrznym

19 19 IPv6 prace standaryzujące rozpoczęto w 1992 roku początkowo standard nosił nazwę IPng addresy IPv6 są 128 bitowe, notacja heksadecymalna - każde 16 bitowe pole (4 liczby heksadecymalne) oddzielone jest dwukropkiem - wiodące zera w każdym polu mogą być pominięte standard ten, choć nie jest na razie szeroko używany w Europie (natomiast bardzo w Azji), jest implementowany przez większość wytwórców sprzętu sieciowego

20 20 ARYTMETYKA zamiana liczb dziesiętnych na binarne (rozważamy liczby dziesiętne mniejsze lub równe 255 stąd słowa 8-bitowe) np.83 liczbę dziesiętną staramy się podzielić całkowicie przez 2: jeśli jest to liczba nieparzysta konieczne jest odjęcie reszty 1 odpowiednikiem binarnym danej liczby jest ciąg 0 i 1 branych w kolejności od ostatniego bitu do pierwszego słowo binarne odczytujemy od końca: = zamiana słów binarnych 8-o bitowych na wartości dziesiętne najstarszy bit najmłodszy bit wartość bitu wartość słowa