L5_IP

1. Лекция №5 IP адресация

Курс «Компьютерные сети»
Приходько Татьяна Александровна
к.т.н. доцент кафедры вычислительных технологий

2. Ключевые моменты лекции

Lecture№6 «Ethernet»
Ключевые моменты лекции
IP – адресация
1.
2.
3.
4.
5.
Способы назначения IP адресов
Структура IP адреса
Понятие маски и ее предназначение
Классовая IP адресов
Бесклассовая IP адресов
2

3. Способы назначения IP-адресов

3

4. Назначение IP-адресов

Zeroconf или зачем нам вообще какой-то DHCP
Специально для функционирования небольших сетей был создан стек технологий под
названием Zeroconf. Он позволяет обойтись без каких-либо централизованных сервисов и
серверов, включая, но не ограничиваясь выдачей IP-адресов. Им закрываются (ну, или
почти закрываются) следующие вопросы:
Получение IP-адреса (Automatic Private IP Addressing или APIPA). Система сама
назначает себе IP из сети 169.254.0.0/16 (кроме сеток /24 в начале и конце диапазона),
основываясь на MAC-адресе и генераторе псевдослучайных чисел. Такая система
позволяет избежать конфликтов, а адрес из этой сети называют link-local — в том числе и
потому, что эти адреса не маршрутизируются.
Поиск по имени. Система анонсирует свое сетевое имя, и каждый компьютер работает
с ним как с DNS, храня записи у себя в кэше. Apple использует технологию mDNS
(Multicast DNS), а Microsoft — LLMNR (Link-local Multicast Name Resolution), упомянутую в
статье «Домены, адреса и Windows: смешивать, но не взбалтывать».
4

5. Назначение IP-адресов

Zeroconf или зачем нам вообще какой-то DHCP
Поиск сетевых сервисов. Например, принтеров. Пожалуй, самым известным протоколом
является UPnP, который помимо прочего умеет сам открывать порты на роутерах. Протокол
довольно сложен, в нем используется целый набор надстроек вроде использования http, в отличие
от второго известного протокола — DNS-SD (DNS Service Discovery), который попросту использует
SRV-записи, в том числе при работе mDNS.
Zeroconf — без каких-либо сакральных знаний можно собрать рабочую сеть, просто соединив
компьютеры на физическом уровне, но IT-специалистам он может даже мешать.
DHCP и его прародители
Одна из первых реализаций протокола для
выдачи IP-адресов появилась более 30 лет назад и
называлась RARP (Reverse Address Resolution Protocol).
Если немного упростить принцип его работы, то
выглядело это так: клиент делал запрос на
широковещательный адрес сети, сервер его принимал,
находил в своей базе данных привязку MAC-адреса
клиента и IP — и отправлял в ответ IP.
5

6. Назначение IP-адресов

DHCP и его прародители
И все вроде работало. Но у протокола были минусы: нужно было настраивать сервер в каждом
сегменте локальной сети, регистрировать MAC-адреса на этом сервере, а передавать
дополнительную информацию клиенту вообще не было возможности. Поэтому на смену ему был
создан протокол BOOTP (Bootstrap Protocol).
Изначально BOOTP использовался для бездисковых рабочих станций, которым нужно было не
только выдать IP-адрес, но и передать клиенту дополнительную информацию, такую, как адрес
сервера TFTP и имя файла загрузки. В отличие от RARP, протокол уже поддерживал relay —
небольшие сервисы, которые пересылали запросы «главному» серверу. Это сделало возможным
использование одного сервера на несколько сетей одновременно. Вот только оставалась
необходимость ручной настройки таблиц и ограничение по размеру для дополнительной информации.
Как результат, на сцену вышел современный протокол DHCP, который является совместимым
расширением BOOTP (DHCP-сервер поддерживает устаревших клиентов, но не наоборот).
6

7. Назначение IP-адресов

DHCP и его прародители
Важным отличием от устаревших протоколов является возможность временной выдачи адреса
(lease) и передачи большого количества разной информации клиенту. Достигается это за счет
менее тривиальной процедуры получения адреса. Если в старых протоколах схема была простая,
вида запрос-ответ, то теперь схема следующая:
1. Клиент ищет сервер широковещательным запросом,
запрашивая в том числе и дополнительные настройки.
2. Сервер отвечает клиенту, предлагая ему IP-адрес и
другие настройки.
3. Клиент подтверждает принятую информацию
широковещательным запросом, указав в
подтверждении IP-адрес выбранного сервера.
4. Сервер соглашается с клиентом, отправляя ему
запрос, по получении которого клиент уже настраивает
сетевой интерфейс или отвергает его.
7

8. Назначение IP-адресов

DHCP и его прародители
Подробнее про схему взаимодействия сервера и клиента и про структуру запросов и ответов
можно почитать, например, в материале «Структура, формат и назначение DHCP пакетов».
«А какой транспорт и порт использует DHCP?» На всякий случай отвечаю: «Сервер UDP:67,
клиент UDP:68».
С разными реализациями DHCP-сервера сталкивались многие, даже при настройке домашней
сети. Действительно, сейчас сервер есть:
Практически на любом маршрутизаторе, особенно SOHO.
На системах Windows Server. О сервере и его настройке можно почитать в официальной
документации.
На системах *nix. Пожалуй, самое популярное ПО — ISC DHCP Server (dhcpd) и «комбайн»
Dnsmasq.
8

9. Назначение IP-адресов

Примеры того, где можно использовать APIPA
Пример 1. нет предыдущего IP-адреса и DHCP-сервера
При инициализации компьютера на основе Windows (настроенного для DHCP) он выполняет
вещание трех или более "discover" сообщений. если DHCP-сервер не отвечает после вещания
нескольких сообщений discover, Windows компьютер назначает себе адрес класса B (APIPA).
затем Windows компьютер отобразит сообщение об ошибке для пользователя компьютера (ему не
назначен IP-адрес с сервера DHCP). после этого Windows компьютер будет отсылать сообщение
Discover каждые три минуты при попытке установить связь с DHCP-сервером.
Пример 2. предыдущий IP-адрес без DHCP-сервера
Компьютер проверяет наличие DHCP-сервера и, если он не найден, предпринимается попытка
обратиться к шлюзу по умолчанию. если шлюз по умолчанию отвечает, то на Windows компьютере
будет сохранен IP-адрес, по которому ранее был арендован. Однако если компьютер не получает
ответ от шлюза по умолчанию или не назначен, то он использует функцию автоматического
частного IP-адресации, чтобы назначить себе IP-адрес. Пользователю предоставляется
сообщение об ошибке, и сообщения обнаружения передаются каждые 3 минуты. Когда DHCPсервер поступает в строке, создается сообщение о том, что обмен данными с DHCP-сервером
был восстановлен.
9

10. Назначение IP-адресов

Примеры того, где можно использовать APIPA
Пример 3. срок действия аренды истекает и DHCP-сервер отсутствует
Компьютер на основе Windows пытается повторно установить аренду IP-адреса.
если Windows компьютер не находит сервер DCHP, он назначает себе IP-адрес
после создания сообщения об ошибке. Затем компьютер передает четыре
сообщения Discover и через каждые 5 минут повторяет всю процедуру до тех пор,
пока DHCP-сервер не выйдет из системы. После этого создается сообщение о том,
что обмен данными с DHCP-сервером был восстановлен.
10

11. Структура IP адреса

11

12. Зачем нужен IP-адрес ?

• Необходим для Маршрутизации в Internet
• Конечный "Общественный Ресурс"
• Никогда не "находящийся в собственности" пользователя адреса
не свойство
не может быть куплен, продан, передан …
предоставляется на непостоянной основе для использования
возвращается, когда больше не требуется
• Не зависит от сервера домена имен (DNS)
12

13. Структура IP-адреса

IP-адрес (пример)
1 байт
192
2 байт
3 байт
4 байт
168
1
0
2 байт
3 байт
4 байт
255
255
0
Маска (прмер)
1 байт
255
13

14. Классовая IP адресация

14

15. Классы IP-адресов

Классы IP-адресов
1 байт
2 байт
Сеть
3 байт
4 байт
Класс А
0
Хост
Класс B
10
Класс C
11 0
Класс D
11 1 0
Групповой адрес (Multicast)
Класс E
11 1 1 0
Экспериментальные адреса
Сеть
Хост
Сеть
Хост
Адреса классов A , B, и С доступны для нумерации узлов /компьютеров/хостов
Некоторые адреса класса D используют протоколы маршрутизации (OSPF - 224.0.0.5,
224.0.0.6, RIPv2 - 224.0.0.9, EIGRP-224.0.0.10).
Другие адреса Класса D используются для видеоконференций и других приложений.
15

16. Классы IP-адресов

Принцип разделения IP-адресов на сетевую и хостовую части
1 байт
2 байт
Сетей
3 байт
4 байт
Класс А
0
Хостов (224-2=16 777 214)
Класс B
10
Класс C
11 0
Класс D
11 1 0
Групповой адрес (Multicast)
Класс E
11 1 1 0
Экспериментальные адреса
7
(2 -1-1=126)
Сетей (216-2=16 384)
Сетей (224-3 = 2 097 152)
Хостов (216-2= 65 534)
Хостов (28-2=256)
16

17.

Классы IP-адресов
17

18. Значение первого байта в классовой модели и соответствующие маски

Классы IP-адресов
Значение первого байта в классовой модели и соответствующие маски
1 байт
Класс А
Класс B
0
10
Понятие маски и ее предназначение
1-126
128-191
Класс C
110
192-223
Класс D
1110
224-239
Класс E
1111
240-255
1 байт
2 байт
3 байт
4 байт
255
0
0
0
1 байт
2 байт
3 байт
4 байт
255
255
0
0
1 байт
2 байт
3 байт
4 байт
255
255
255
0
18

19. Маски классовой модели адресации

Префиксная
запись
32 бита
Класс A
Маска двоичная
Маска десятичная
Класс B
Маска двоичная
Маска десятичная
Класс C
Маска двоичная
Маска десятичная
Сеть
0
Хост
11111111
00000000
00000000
00000000
255
0
0
0
Сеть
10
Хост
11111111
11111111
00000000
00000000
255
255
0
0
Сеть
110
/8
/16
Хост
11111111
11111111
11111111
000000
255
255
255
0
/24
19

20. Правила записи масок

Маски
классовых IP-сетей
Класс A
255.0.0.0
Класс B
255.255.0.0
Класс C
255.255.255.0
Старая нотация IP-адреса сети
с маской
Класс A
10.0.0.0 255.0.0.0
Класс B
176.16.0.0 255.255.0.0
Класс C
192.12.1.0 255.255.255.0
Сокращенная нотация IP-адреса сети
с префикс/длина
Класс A
10.0.0.0/8
Класс B
176.16.0.0/16
Класс C
192.12.1.0/24
20

21. Специальные IP-адреса

Пять специальных адресов
Диапазон адресов
Назначение
0.0.0.0
1) Default gateway
2) Узел, пока он еще не получил IP –адреса. Такой адрес
можно встретить только внутри пакета
X.X.0.0
Номер сети: все нули в разрядах нумерации хоста
127.0.0.0 –
127.255.255.255
X.X.255.255/16
Зарезервировано для локальных адресов типа “петля”
255.255.255.255
Широковещание: все единицы в разрядах нумерации хоста
(пример для класса B)
Ограниченное широковещание
Серые адреса
10.0.0.0 –
10.255.255.255
Зарезервировано для частных сетей (RFC1918), в классе А
172.16.0.0 –
172.31.255.255
Зарезервировано для частных сетей (RFC1918), в классе B
192.168.0.0 –
192.168.255.255
Зарезервировано для частных сетей (RFC1918), в классе С
21

22. Специальные IP-адреса

Частный (Private) диапазон адресов
Три диапазона адресного пространства зарезервированы для частных сетей
10.0.0.0 – 10.255.255.255
(10.0.0.0/8 prefix)
172.16.0.0 – 172.31.255.255
(172.16.0.0/12 prefix)
192.168.0.0 -192.168.255.255
(192.168.0.0/16 prefix)
Обратите внимание: первый блок – одна сеть класса A, второй блок – 16
подряд идущих номеров сетей класса B, третий блок – 256 подряд идущих
номеров сетей класса C
Трансляция межу частными адресами и глобальными
уникальными адресами -> NAT
22

23. Специальные IP-адреса

Диапазоны адресов: разъяснения
Основной формат IP-адреса
{ № сети, № хоста}
Пример: что означает IP-адрес 131.67.0.1 класса B ???
N сети
N узла
172.16. 0.0
- IP-адрес сети (не используется для нумерации хостов)
172.16. 0.1
- первый хост в этой сети (индивидуальный)
172.16. …..
172.16. 255.254
- последний хост в этой сети (индивидуальный)
172.16. 255.255
- направленное широковещание для этой сети (не используется для
нумерации хостов)
255.255. 255.255
- ограниченное широковещание в этой сети
Поэтому максимально возможное значение числа узлов в сети уменьшено на 2
23

24. Бесклассовая IP адресация

24

25. Причины появления бесклассовой адресации: исчерпание IP-адресного пространства

Бесклассовая адресация
Причины появления бесклассовой адресации:
исчерпание IP-адресного пространства
Растущий запрос IP-адресов
Классовая модель напряжена
Класс А слишком большой (16 млн хостов)
Класс В истощен (к 1991 год расход приобрел угрожающие размеры) и заканчивается)
Класс С имеет маленький размер для большинства организаций
много адресов класса C, выданных некоторым организациям, ведет к (взрыву) переполнению
записей таблиц маршрутизации в маршрутизаторах ядра Internet
Способы решения этих проблем
Подсети (VLSM/CIDR)
Творческое (совещательное) распределение IP-адресов
Использование частных (private) IP-адресов и механизма преобразования сетевых адресов (NAT)
IPv6
25

26. Подсеть

Двухуровневая иерархия IP - адресации была достаточна в раннем Интернет
Сейчас в большинстве LAN используется три уровня иерархии, основанных на подсетях
Подсеть
Некоторые биты нумерации хоста используются для подсети
Подсеть расширяет значение классового номера сети
Биты подсети локально интерпретируются внутри области сети
Биты сети все еще глобально видятся вне полученной области подсети
Количество бит, используемых для нумерации сети, определяется маской подсети,
также записывается в десятичной нотации:
Единицы в битах маски определяют часть адреса для нумерации сети
(должны быть непрерывными)
Нули в битах маски определяют часть адреса для нумерации хостов
26

27. Что такое «маска подсети» ?

1 байт
2 байт
3 байт
4 байт
Есть сеть класса B
Класс B /16
10
Сеть
Хост
Сформируем подсеть посредством маски подсети
(Маска подсети)2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0
(Маска подсети)10
255
255
255
0
Подсеть
Хост
Получим
Сеть, подсеть/24
Сеть
представлена в глобальных таблицах используется
локально
Пример: Разделим сеть 172.16.0.0 на подсети
172.16.0.0/24
172
16
0
0
172.16.1.0/24
172
16
1
0
172.16.2.0/24
172
16
0
172.16.Х.0/24
172
16
2
…… 255
172.16.255.0/24
172
16
0
27

28. Подсеть с маской. Пример 1

Класс A разделим на подсети класса B
10.0.0.0 c маской 255.255.0.0 (10.0.0.0/16) – исходная сеть
Подсети
10.0.0.0
нулевая подсеть (не используется для нумерации)
10.1.0.0
первая подсеть
10.1.0.0
адрес подсети
10.1.0.1
первый хост в подсети 10.1.0.0
10.1.255.254
последний хост в подсети 10.1.0.0
10.1.255.255
направленное широковещание в подсеть 10.1.0.0
вторая подсеть
10.2.0.0
10.3.0.0
третья подсеть
………
10.254.0.0
последняя подсеть
10.255.0.0
направленное широковещание в подсети (не используется
для нумерации подсети)
254 подсети / 65534 хоста
28

29. Примеры IP адресации посредством подсетей

Сеть 10.0.0.0 (класс A ) с маской подсети 255.255.0.0
10.2.0.0/16
10.1.0.0/16
R4
R1
10.5.0.1
10.7.0.0/16
R2
10.6.0.2/16
10.3.0.0/16
10.5.0.0/16
s0
R3
s1
e0
10.4.0.0/16
10.6.0.0/16
Таблица маршрутизации
R3
Сеть
Next-hop Порт
10.4.0.0 local
e0
10.1.0.0 10.5.0.1
s0
10.2.0.0 10.6.0.2
s1
29

30. Классовая маршрутизация

Сеть 10.0.0.0 (класс A ) с маской подсети 255.255.0.0
10.1.0.0
10.2.0.0
R4
R1
10.5.0.1
10.7.0.0
10.6.0.2
s0
s0
e0
10.6.0.0
192.168.2.0
10.3.0.0
10.5.0.0
10.4.0.0
192.168.2.1
R2
192.168.2.2
R5
s1
Интернет
R3
Табл. маршрутизации R3
Сеть
Next-hop
Порт
10.4.0.0
10.1.0.0
10.2.0.0
local
10.5.0.1
10.6.0.2
e0
s0
s1
Табл. маршрутизации R5
Сеть
Next-hop
Порт
10.0.0.0
192.168.2.0
192.168.2.1
local
s0
s0
30

31. Бесклассовая модель IP-адресации

Бесклассовая модель IPадресации
VLSM (Variable Length Subnet Mask)
CIDR (Classless InterDomain Routing)

32. Принципы VLSM-маскирования

VLSM (Variable Length Subnet Mask) — это метод, используемый при
проектировании IP-сетей для создания подсетей с различными масками подсети
VLSM позволяет сетевым администраторам более эффективно распределять IP-адреса
за счёт использования меньших масок подсети для подсетей с меньшим количеством
узлов и больших масок подсети для подсетей с большим количеством узлов.
С помощью VLSM пространство IP-адресов можно разделить на чётко определённую
иерархию подсетей разного размера. Это помогает повысить удобство использования
подсетей, поскольку они могут включать маски переменного размера.
32

33. Принципы VLSM-маскирования

VLSM-маскирование обеспечивает
возможность создания более одной маски подсети в пределах одной главной сети
возможность разбивать на подсети уже разбитые на подсети IP-адреса.
Преимущества VLSM-маскирования
Более эффективное использование адресного пространства
Без VLSM-маскирования для всего адресного пространства сетей класса А, В или С можно
применять только одну маску подсети
Возможность суммирования маршрутов.
Возможно большое количество иерархических уровней в рамках одного плана адресации
Это позволяет производить оптимальное суммирование в таблицах маршрутизации
33

34. Пример маски подсети не на границе байта

1 байт
3 байт
4 байт
1
2
4
8
16
32
64
128
1
2
4
8
16
32
64
128
1
2
4
8
16
32
64
128
1
2
4
8
16
32
64
128
Вес разряда
2 байт
Сеть класса B
140.97.0.0/16
Разобьем маской
255.255.192.0
1000 1 10 00 1 1 0000 1 0000 0 00 00 0 00 00 0 0
Подсети
140.97.0.0/26
140.97.0.64/26
Сеть
Подсеть
Хост
10 00 1 10 00 1 1 0000 1 0000 0 00 00 0 00 00 0 0
10 00 1 10 00 1 1 0000 1 0000 0 00 00 1 00 00 0 0
140.97.0.128/26
10 00 1 10 00 1 1 0000 1 0000 0 00 01 0 00 00 0 0
140.97.0.192/26
10 00 1 10 00 1 1 0000 1 0000 0 00 01 1 00 00 0 0
140.97.1.0/26
10 00 1 10 00 1 1 0000 1 0000 0 00 10 0 00 00 0 0
140.97.1.64/26
10 00 1 10 00 1 1 0000 1 0000 0 00 10 1 00 00 0 0
1111 1 11 11 1 1 1111 1 1111 1 11 11 1 00 00 0 0
…
140.97.255.128/26 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0
140.97.255.192/26 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0
34

35. Определение, к какой подсети относится адрес

Пусть имеем конкретный IP-адрес (класса B)
IP-адрес 140.97.113.205
Маска подсети 255.255.255.192
Какая сеть?, какой хост в сети?
двоичный IP-адрес 10001100 . 01100001 . 01110001 . 11001101
Двоичная маска
11111111 . 11111111 . 11111111 . 11000000
Выполняем логическую операцию “И”
Вычисляем сеть
10001100 . 01100001 . 01110001 . 11000000
Получаем в десятичном виде:
Сеть = 140.97.113.192
Хост = 0.0.0.13 (эту запись обычно не приводят)
или ее можно интерпретировать как номер хоста по
порядку в указанной сети.
35

36.

Надсети и подсети
Например, IP-адрес 172.16.14.0/24 может суммировать все подсети, входящие в
подсеть 172.16.14.0, включая такие подсети более глубокого уровня вложения, как
172.16.14.0/27 и 172.16.14.128/30.
Сети с меньшей по абсолютной величине маской могут включать сети с большей по абсолютной величине маской.
36

37. Примерный график выполнения ЛР

№
Тема
Что нужно
ЛР1
«Моделирование простой сети и коллизий»
Packet Tracer
ЛР2
Изучение вопросов конфигурации сетей Ethernet
ЛР3
Изучение вопросов конфигурации сетей Fast Ethernet
ЛР4
ЛР5
Механизм адресации в IP- Сетях.
IP-маршрутизация
Листик, карандаш,
калькулятор
Листик, карандаш,
калькулятор
Листик, карандаш,
Листик, карандаш.
Срок
выполнения
2-8 сентября
Сроки защиты
9-21 сентября
23-29 сентября
16-29 сентября
1-4 октября
1-11 октября
7-20 октября
7-11 октября
14-20 октября
6-8 сентября
Контрольная работа
ЛР6
Packet Tracer
21-31 октября
21-27 октября
ЛР7
Настройка роутеров. Моделирование сети со статической
маршрутизацией.
Динамическая маршрутизация
Packet Tracer
1-10 ноября
1-10 ноября
ЛР8
Изучение списков доступа ACL
Packet Tracer
11-18 ноября
11-17 ноября
ЛР9
Преобразование сетевых адресов NAT
Packet Tracer
18-28 декабря
18-30 декабря
ЛР10
Настройка виртуальных локальных сетей VLAN
Packet Tracer
2-14 декабря
9-21 декабря
Те, кто не отстают от графика имеют возможность получить экзамен – Автомат.
37

38. Литература

Lecture№6 «Ethernet»
Литература
Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для ВУЗов 5-е изд. /
В.Г.Олифер, Н.А.Олифер. – СПб: Издательство «Питер», 2016.- 992с.:ил
Дуглас Э. Крамер. "Сети TCP/IP/ . Принципы, протоколы и струткура."
Хант К. Серия "Для специалиста": Персональные компьютеры в сетях TCP/IP. - BHV-Киев,
1997.
Пассивные оптические сети (PON/EPON/GEPON) «Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ). Semenov Yu
(ITEP-MIPT)» в свободном доступе: http://book.itep.ru/4/41/pon.htm
Программа сетевой академии CISCO CCNA. Вспомогательное руководство. Издательский дом
«Вильямс» -,2008г. - 1168с.
38