Интернет в Ethernet

В Интернет не существует иерархии сетей. Локальная сеть на основе Ethernet, две ЭВМ, связанные через последовательный интерфейс, или общенациональная сеть страны — это все сети и по логике Интернет они все равны. Каждая сеть имеет свое имя и как минимум один IP-адрес. Имя привычнее для людей, адреса — для машин. Между именами и адресами существует строгое соответствие.

Для того чтобы пояснить взаимодействие различных систем в сети, рассмотрим сильно упрощенную схему обработки команды telnet vxdesy.desy.de, которая предполагает осуществление удаленного доступа к vx-кластеру в ДЕЗИ, Гамбург (вызов через windows обрабатывается практически аналогично). Сначала ЭВМ выделяет команду telnet и запускает соответствующую программу. Эта программа рассматривает символьный адрес vxdesy.desy.de в качестве параметра команды telnet.

Рис. 4.1.1.3.1. Схема обработки сетевого запроса

Сначала определим, что же нужно сделать для решения стоящей задачи? Чтобы обратиться к нужной ЭВМ, система должна знать ее IP-адрес, маску субсети и адрес маршрутизатора или ЭВМ, через которые можно обратиться с запросом на установление канала связи. Рассмотрим решение проблемы поэтапно. Сначала символьный адрес vxdesy.desy.de пересылается серверу имен (DNS-система может располагаться как в ЭВМ пользователя, так и в другой машине), где преобразуется в цифровой IP-адрес, пересылаемый в отклике на DNS-запрос (предварительно надо узнать его MAC-адрес). Но знания IP-адреса недостаточно, надо выяснить, где находится объект с этим адресом. На IP-адрес накладывается сетевая маска (задается при конфигурации рабочей станции), чтобы определить, не является ли данный адрес локальным. Если адрес локален, IP-адрес должен быть преобразован в Ethernet-адрес (MAC), ведь ваша ЭВМ может оперировать только с Ethernet-адресами. Для решения этой задачи посылается широковещательный (обращенный ко всем участникам локальной сети) ARP-запрос. Если адресат находится в пределах локальной субсети, то он откликнется, прислав Ethernet-адрес своей сетевой карты. Если это не так, что имеет место в приведенном примере, присылается Ethernet-адрес пограничного для данной сети маршрутизатора. Это происходит лишь в случае, если он поддерживает режим proxy-ARP. В противном случае рабочая станция должна воспользоваться IP-адресом маршрутизатора (gateway), заданным при ее конфигурации, и выявить его MAC-адрес с помощью ARP-запроса. Наконец с использованием полученного IP-адреса программа telnet формирует IP-пакет, который вкладывается в Ethernet-кадр и посылается в маршрутизатор узла (ведь именно его адрес она получила в ответ на ARP-запрос в данном примере). Последний анализирует имеющиеся у него маршрутные таблицы и выбирает, по какому из нескольких возможных путей послать указанный пакет. Если адресат внешний, IP-дейтограмма вкладывается в PPP- FDDI- или какой-то другой кадр (зависит от протокола внешнего канала) и отправляется по каналам Интернет. В реальной жизни все бывает сложней. Во-первых, присланный символьный адрес может быть неизвестен локальной dns-системе (серверу имен) и она вынуждена посылать запросы вышестоящим DNS-серверам, во-вторых, пограничный маршрутизатор вашей автономной системы может быть непосредственно не доступен (ваша ЭВМ находится, например, в удаленной субсети) и т.д. и т.п. Как система выпутывается из подобных осложнений, будет описано позднее. Следует иметь в виду, что, например, в системе unix все виды Интернет услуг обслуживает демон inetd. Конкретный запрос (Telnet, FTP, Finger и т.д.) поступает именно к нему, inetd резервирует номер порта и запускает соответствующий процесс, после чего переходит в режим ожидания новых запросов. Такая схема позволяет эффективно и экономно работать со стандартными номерами портов (см. раздел 7). Ну а теперь начнем с фундаментальных положений Интернет.

В Интернет информация и команды передаются в виде пакетов, содержащих как исходящий адрес, так и адрес места назначения (IP-адрес имеет 32 двоичных разряда). Каждой ЭВМ в сети поставлен в соответствие уникальный адрес, появление двух объектов с идентичными IP-адресами может дезорганизовать сеть. IP-адресация поддерживает пять различных классов сетей (практически используется только три) и, соответственно, адресов (версия IPv4). Класс А предназначен в основном для небольшого числа очень больших сетей. Здесь для кода сети выделено только 7 бит, это означает, что таких сетей в мире не может быть больше 127 (2⁷-1). Класс B выделяет 14 бит для кода сети, а класс С — 21 бит. В классе C для кода ЭВМ (host) предназначено 8 бит, поэтому число ЭВМ в сети ограничено. Самые левые биты адреса предназначены для кода класса. ip-адрес характеризует точку подключения машины к сети. Поэтому, если ЭВМ перенесена в другую сеть, ее адрес должен быть изменен. Старшие биты адреса определяют номер подсети, остальные биты задают номер узла (номер ЭВМ). В таблице 4.1.1.3.1 приведено соответствие классов адресов значениям первого октета адреса и указано количество возможных IP-адресов каждого класса.

Таблица. 4.1.1.3.1 Характеристики классов адресов

Класс адреса	Диапазон значений первого октета	Возможное количество сетей	Возможное количество узлов
A	001 … 126	128	16777214
B	128 … 191	16382	65534
C	192 … 223	2097150	254
D	224 … 239		228
E	240 … 247		227

Структура ip-адресов изображена на рисунке 4.1.1.3.2:

Рис. 4.1.1.3.2. Структура IP-адресов (NetID = идентификатор сети)

Для удобства чтения IP-адреса обычно записываются в десятично-точечной нотации, например: 192.148.166.129 (адрес класса C).

Классу A соответствует диапазон адресов 1.0.0.0 — 127.255.255.255.
Классу B соответствует диапазон адресов 128.0.0.0 — 191.255.255.255.
Классу С соответствует диапазон адресов 192.0.0.0 — 223.255.255.255.
Классу D соответствует диапазон адресов 224.0.0.0 — 239.255.255.255.
Классу E соответствует диапазон адресов 240.0.0.0 — 247.255.255.255.

Ряд адресов является выделенными для специальных целей:

0.0.0.0 — обращение к ЭВМ, на которой производится работа;
255.255.255.255 — обращение ко всем машинам локальной сети.
127.xxx.xxx.xxx — помещение пакета во входной поток данной ЭВМ (loopback).
Два другие специальные адреса показаны на рис. 4.1.1.3.2.а.

Рис. 4.1.1.3.2.а. Специальные ip-адреса

IP-адрес имеет Интернет- и местную секции, первая характеризует место (организацию, сеть или даже группу сетей), вторая — конкретную ЭВМ. Местная секция адреса может быть разделена на части, характеризующие локальную сеть и конкретную ЭВМ (рис. 4.1.1.3.3).

Рис. 4.1.1.3.3. Локальная часть IP-адреса

Такая схема обеспечивает необходимую гибкость, дает возможность разделить локальную сеть на субсети. При работе с субсетью необходимо использовать 32-разрядную маску. Разряды маски должны равняться 1, если сеть рассматривает данный бит как часть адреса сети, и 0, если он характеризует адрес ЭВМ в этой сети. Например:

255.255.255.254 (десятично-точечное представление)

11111111 11111111 11111111 11111110 (двоичное представление)

описывает маску субсети, в которой работает автор. Некоторую информацию о масках в работающей сети можно получить с помощью команды ifconfig (SUN):

/usr/etc/ifconfig -a (курсивом здесь и далее выделяются команды, введенные с клавиатуры)

le0: flags=863

inet 193.124.224.35 netmask ffffffe0 broadcast 193.124.224.32

lo0: flags=869

inet 127.0.0.1 netmask ffffff00,

где le0 и lo0 — имена интерфейсов, флаг -a предполагает выдачу данных обо всех интерфейсах.

Во всех схемах IP-адресации адрес со всеми единицами в секции адрес ЭВМ (host) означает широковещательное обращение ко всем ЭВМ сети. Следует помнить, что широковещательные запросы сильно перегружают сеть, и без особой необходимости их использовать не следует. В настоящее время обсуждаются четыре предложения усовершенствования IP-адресации (см. RFC-1454):

IP-адрес безусловно удобный для использования ЭВМ, почему-то плохо запоминается людьми, поэтому они разработали символьную систему имен для узлов Интернет. Эта система (DNS- domain name system) имеет иерархический характер. Имя содержит несколько полей, разделенных символом «.» (точка). В качестве примера можно привести имя домена itepnet — cl.itep.ru. Это имя содержит три поля. Поле ru указывает на принадлежность данного домена России, поле itep определяет принадлежность узла ITEP (Institute for Theoretical and Experimental Physics), cl — характеризует то, что данное конкретное имя относится к кластеру ЭВМ (имя субдомена). Никаких ограничений на число полей в имени, кроме налагаемых здравым смыслом, не существует. Собственно имя домена — это itep.ru. Самое правое поле в имени домена характеризует принадлежность к определенному типу организации или стране. Таблица стандартизованных имен приведена в приложении Национальные коды . Преобразование символьного имени в IP-адрес производится в DNS-сервере узла, который представляет собой базу данных с удаленным доступом. Если искомое имя узла в локальном DNS-сервере отсутствует, он может прислать в качестве ответа адрес другого DNS-сервера, куда следует обратиться, чтобы определить IP-адрес искомого узла. Анализ имени обычно производится справа налево. Более подробно DNS-система описана в документах RFC-822, -823, а также ниже в разделе DNS. О правилах получения IP-адресов и регистрации имен сетей можно прочесть в [8].

При формировании пакетов различного уровня используется принцип инкапсуляции (вложения). Так IP-пакеты вкладываются в Ethernet-пакеты (кадры). Всякий пакет имеет заголовок и тело, некоторые из них снабжены контрольной суммой. Схема такого вложения представлена на рисунках 4.1.1.3.4 и 4.1.1.3.5.

Поле тип определяет используемый в дейтограмме протокол, PAD — пустые биты, дополняющие размер дейтограммы до 48 бит. В случае протокола IEEE 802.3 полю тип (>150010) соответствует поле длина (<150010), которое определяет длину кадра.

Пакетный принцип позволяет передавать информацию от разных источников к различным адресатам по общему телекоммуникационному каналу. Схема вложения пакетов в рамках TCP/IP показана на рис. 4.1.1.3.4.

Принцип вложения (также как и фрагментации) является фундаментальным для любых современных сетей. Этот принцип используется в сетях netware, Apple Talk, TCP/IP т.д.

Рис. 4.1.1.3.4. cхема вложения пакетов в TCP/IP (в данном примере в поле тип Ethernet кадра будет записан код 0800)

Отдельные сети в Интернет соединяются друг с другом через узловые серверы (gateway, их иногда называют пограничными маршрутизаторами — boarder gateway), расстояние между которыми может измеряться метрами или тысячами километров. В межсетевых обменах также используется принцип вложения так пакеты Ethernet могут вкладываться в пакеты FDDI и т.д..

Прикладные программы также как и все протокольное программное обеспечение уровня Интернет и выше работают только с ip-адресами, в то время как уровень сетевого программного обеспечения работает с физическими сетевыми адресами (так Ethernet использует 48-битные адреса).

Обычно при описании сетей используется терминология 7-уровневой модели ISO («стек протоколов»). Так уж получилось, но Интернет лишь с определенными натяжками можно описать, придерживаясь этой схемы.

Ethernet инкапсуляция (RFC 894) (размеры полей указаны в байтах)

Рис. 4.1.1.3.5. Вложение пакетов Интернет в Ethernet- и IEEE 802 пакеты

LLC — управление логической связью (logical link control); DSAP = 0xaa (destination service access point) — поле адреса доступа к службе получателя; SSAP = 0xaa (source service access point) — поле адреса доступа к службе отправителя; SNAP — протокол доступа к субсетям (subnetwork access protocol). PAD — поле заполнитель. В общем случае форматы полей DSAP и SSAP имеют вид, показанный на рис. 4.1.1.3.6 I/G = 0 — индивидуальный адрес, I/G =1 — групповой адрес; D — бит адреса службы места назначения, S — бит адреса службы отправителя; C/R =0 — команда, C/R =1 — подтверждение.

Рис. 4.1.1.3.6. Структура адресов DSAP и SSAP

Поле CNTL может иметь длину 1 или 2 байта, а его структура соответствовать I, S или U-форматам (см. разделы «Эталонная модель iso» и «x.25»). В однобайтовых полях DSAP и SSAP записывается код типа протокола сетевого уровня. Для протоколов IPX/SPX это и последующее поле содержат код 0xE0. Поле CNTL=03 обозначает нечисловой формат для уровня ethernet 802.2. Эти три байта часто представляют собой код производителя, как правило, совпадающий с первыми тремя байтами адреса отправителя. Иногда они просто делаются равными нулю. Поле тип (2 байта) характеризует используемую версию Ethernet. Из рисунка 4.1.1.3.5 видно, что первые два поля (адреса получателя и отправителя) и последнее поле (CRC) во всех форматах идентичны. При расчете CRC содержимое кадра рассматривается как двоичный полином. Производится деление этого кода на специальный образующий полином. Полученный остаток от деления дополняется по модулю один, результирующий код и считается контрольной суммой CRC. В поле адрес получателя может быть записан код 0xffffffffffff, что указывает на широковещательную адресацию кадра. Адрес отправителя такой код содержать не может. Третье поле может служить для выявления типа используемого протокола. Если в этом поле содержится число более 1500 (десятичное), это указывает на то, что данный кадр имеет формат Ethernet II, а само поле содержит не длину кадра а тип данных. Теперь, надеюсь, читателю понятно, почему кадр Ethernet 802.3 не может содержать более 1500 байт.

Кадр Ethernet 802.2 помимо первых трех полей содержит дополнительные три однобайтовые поля, следующие вслед за ними (DSAP, SSAP и CNTL). Кадр Ethernet SNAP является модификацией кадра Ethernet 802.2. Для этого кадра коды полей dsap и ssap равны 0xAA (признак кадра Ethernet SNAP), код CNTL=03 (нечисловой формат), поле код организации (3 байта, характеризует организацию сети) равен нулю (для IPX/SPX), а двухбайтовое поле тип характеризует протокол высокого уровня. Для протоколов IPX/SPX в этом поле должен быть записан код 0x8138 (для ip — 0x0800, для arp — 0x0806, для rarp — 0x8035, а для Apple Talk — 0x809b). Таблица кодов протоколов приведена в приложении Базовые протоколы Интернет (см. также RFC-1700). Поля тип протокола и по смыслу и по содержанию идентичны для всех разновидностей кадра Ethernet (кроме ieee 802.3).

Транспортный уровень должен воспринимать данные от нескольких пользовательских программ и пересылать их на более низкий уровень. Многоуровневые протоколы спроектированы так, чтобы слой N по месту назначения получал ту же самую информацию, что была послана слоем N отправителя. Прикладные программы также как и все протокольное программное обеспечение уровня Интернет и выше использует только IP-адреса (32 бита), в то время как уровень сетевого программного обеспечения работает с физическими сетевыми адресами (так Ethernet использует 48-битные адреса).

Когда IP-дейтограмма попадает в ЭВМ, сетевое программное обеспечение передает ее программе IP-уровня. Если адрес места назначения совпадает с IP-адресом ЭВМ, дейтограмма принимается и передается на более высокий уровень для дальнейшей обработки. При несовпадении адресов дейтограмма уничтожается (переадресация дейтограмм для ЭВМ запрещена, это функция маршрутизатора). Хотя можно заставить ЭВМ выполнять задачи маршрутизации, с точки зрения Интернет-философии это плохая идея.

Различные сети и каналы имеют разные скорости обмена и надежность передачи. Это определяет длину пакета, пересылка которого с высокой вероятностью будет осуществлена без ошибки. Так как Интернет объединяет самые разные узлы и сети, использующие разные длины посылок, при реализации связи между такими объектами размер пакета задается наименее надежным узлом и длина пакета выбирается минимальной из двух. Поэтому при передаче длинного пакета через такой участок сети он сегментируется и передается по частям. Размер фрагмента определяется величиной максимального передаваемого блока (MTU — maximum transfer unit, в Ethernet MTU=1500 октетам). Величины MTU для других сред приведены в таблице 4.1.1.3.2:

Таблица 4.1.1.3.2 Значения mtu для различных сетевых стандартов

Сеть	MTU (байт)
hyperchannel (Сеть с топологией типа шина, с csma/cd-доступом, числом подключений <256, максимальной длиной сети около 3,5км (93-омный коаксиальный кабель RG-59 или оптоволокно))	65535
16 Мбит/с маркерное кольцо (ibm)	17914
4 Мбит/с маркерное кольцо (ieee 802.5)	4464
fddi	4352
Ethernet II	1500
IEEE 802.3/802.2	1492
x.25	576
point-to-point (при малой задержке)	296

Рассмотрим по фрагментную передачу дейтограммы с длиной в 1300 октетов в предположении, что более 576 октетов за один раз передать нельзя.

Рис. 4.1.1.3.6. Пример фрагментации пакета

Куда будет направлен Ethernet-кадр, указывает значение для типа в заголовке кадра (рис. 4.1.1.3.5). Если IP-пакет попадает в модуль IP, то содержащиеся в нем данные могут быть переданы либо модулю TCP (Transmission Control Protocol), либо UDP, что определяется полем «протокол» в заголовке IP-пакета.

Одним из основополагающих понятий в теории маршрутизации является автономная система (AS). Автономную систему составляет IP-сеть (или система из нескольких IP-сетей), проводящая единую политику внешней маршрутизации и имеющая одного или более операторов. Все AS имеют уникальные номера. Идеология AS позволяет решить проблему безудержного роста размера таблиц маршрутизации. Построение узла Интернет неотделимо от формирования локальной сети, поэтому прежде чем перейти к углубленному описанию протоколов TCP/IP, введем определения некоторых сетевых устройств, без которых построение локальной сети невозможно.

Взято с citforum.ru