IP — Internet Protocol
65C# и .NET --- Сетевое программирование --- IP — Internet Protocol
Набор протоколов TCP/IP разделен на уровни гораздо проще, чем предусмотрено моделью OSI. TCP и UDP - это транспортные протоколы, соответствующие уровню 4 OSI. Они используют IP, протокол уровня 3 OSI (сетевого уровня). Кроме этих трех протоколов, в наборе протоколов TCP/IP есть еще два базовых протокола, расширяющих IP: ICMP и IGMP. Функциональные возможности этих протоколов должны быть реализованы в уровне, содержащем IP.
Internet Protocol соединяет два узла. Каждый узел идентифицируется 32-битным адресом, называемым IP-адресом. При отправке сообщения IP-протокол получает его от протоколов верхнего уровня, TCP или UDP, и добавляет IP-заголовок, содержащий информацию о хосте-адресате.
Чтобы понять протокол IP, самый лучший способ — детально исследовать IP-заголовок. Содержащаяся в нем информация приведена в таблице:
| Поле | Длина | Описание |
|---|---|---|
| Версия IP | 4 бита | Версия протокола IP, создавшего заголовок. Текущая версия протокола IP — 4. |
| Длина IP-заголовка | 4 бита | Длина заголовка. Минимальное значение — 5 в единицах по 32 бита, или 4 байта. Следовательно, минимальная длина заголовка равна 20 байтам. |
| Тип обслуживания | 1 байт | Поле типа обслуживания позволяет отправлять сообщения с нормальной или высокой производительностью, нормальной или увеличенной задержкой, нормальной или высокой надежностью. Это поле полезно при отправке в сеть дейтаграмм. Несколько разновидностей сетей используют эту информацию, чтобы выделить приоритет определенного трафика. Кроме того, сообщения управления сетью по сравнению с обычными сообщениями имеют повышенные приоритет и надежность. |
| Общая длина | 2 байта | В этих двух байтах задается общая длина сообщения — заголовка и данных— в октетах. Максимальный размер IP-пакета равен 65 535 байтов, но для большинства сетей такой размер непрактичен. Самый большой размер, который может быть принят всеми хостами, равен 576 байтам. Длинные сообщения могут разделяться на фрагменты — такой процесс называется фрагментацией. |
| Идентификация | 2 байта | Если сообщение разбито на фрагменты, поле идентификации помогает собрать фрагменты сообщения. Все фрагменты одного сообщения имеют один и тот же идентификационный номер. |
| Флаги | 3 бита | Эти флаги указывают, фрагментировано ли сообщение и является ли текущий пакет последним фрагментом сообщения. |
| Смещение фрагмента | 13 битов | В этих 13 битах задается смещение фрагментированного сообщения. Фрагменты могут поступать не в том порядке, в каком они были отправлены, поэтому смещение необходимо, чтобы восстановить исходные данные. Первый фрагмент сообщения имеет длину О, а в остальных фрагментах дается смещение, по которому следует поместить фрагмент. Единица смещения равна 8 байтам, так что значение смещения 64 означает, что второй фрагмент нужно присоединить к сообщению после 512 байтов первого пакета. |
| Время жизни | 1 байт | Значение "время жизни" (TTL) задает число секунд, которое сообщение может существовать, прежде чем будет отброшено. В этом значении необязательно указывается число секунд, поскольку каждый маршрутизатор, пересекаемый сообщением, должен уменьшить значение TTL на 1, даже если он затратил на обработку сообщения меньше одной секунды. Поэтому на практике в этом значении задается число допустимых "прыжков". |
| Протокол | 1 байт | В этом байте указывается протокол, используемый на следующем уровне стека протоколов для этого сообщения. Номера протоколов определены в доступной оперативной базе данных Internet Assigned Number Authority (IANA). |
| Контрольная сумма заголовка | 2 байта | Это контрольная сумма одного заголовка. Поскольку заголовок изменяется с каждым отправленным сообщением, контрольная сумма также изменяется. |
| Адрес источника | 4 байта | В этом поле указывается 32-битный IP-адрес отправителя. |
| Адрес назначения | 4 байта | Это 32-битный IP-адрес, по которому отправлено сообщение. |
| Опции | переменная | Здесь могут появляться необязательные поля. Например, можно указать, что это сообщение секретно или совершенно секретно. Также предусмотрена возможность будущих расширений. |
| Дополнение | переменная | Это поле содержит переменное число нулей, такое, чтобы заголовок заканчивался на 32-битной границе. |
Internet Protocol (IP) определен в RFC 791. Документы RFC (Request for Comments) содержат техническую информацию о многих важных интернет-технологиях.
IP-адрес
Каждый узел в сети TCP/IP может быть идентифицирован 32-битным IP-адресом. Обычно IP-адрес представляется четырьмя десятичными значениями в таком виде: 192.168.0.1. Каждое из этих чисел представляет собой один байт IP-адреса и может находиться в пределах от 0 до 255.
IP-адрес содержит две части: сетевую часть и часть хоста. В зависимости от класса сети сетевая часть состоит из одного, двух или трех байтов:
| Класс | Байт 1 | Байт 2 | Байт 3 | Байт 4 |
|---|---|---|---|---|
| A | Сеть (1—126) | Хост (0-255) | Хост (0—255) | Хост (0—255) |
| B | Сеть (128—191) | Сеть (0—255) | Хост (0—255) | Хост (0—255) |
| C | Сеть (192—223) | Сеть (0—255) | Сеть (0—255) | Хост (0—255) |
Первый бит адреса сети класса А должен быть 0, поэтому первый байт для сети класса А имеет двоичные значения в пределах от 00000001 (1) до 01111110 (126). Остальные три байта служат для идентификации узлов в сети, позволяя соединить в сети класса А более 16 млн. устройств.
Заметим, что в приведенной таблице адреса с числом 127 в первом байте пропущены, поскольку это зарезервированный диапазон адресов. Адрес 127.0.0.1 — это всегда адрес локального хоста, а 127.0.0.0 — адрес локальной обратной связи. Обратная связь используется для тестирования стека сетевых протоколов на одной машине, без прохода через сетевую интерфейсную плату.
В IP-адресе для сети класса В первые два бита всегда имеют значение 10, что дает диапазон от 10000000 (128) до 10111111 (191). Второй байт продолжает идентификацию сети значением от 0 до 255, оставляя два последних байта для идентификации узлов сети, всего до 65 534 устройств.
Сети класса С отличаются IP-адресом, в котором в первых трех битах установлено значение 110, разрешая значения в диапазоне от 11000000 (192) до 11011111 (223). В сети этого типа лишь один байт оставлен для идентификации узлов, поэтому к ней можно подсоединить только 254 устройства.
Число устройств, которое можно подсоединить к сети каждого из этих классов с особыми IP-адресами, обратно пропорционально числу возможных сетей этого типа. Например, сеть класса А, допуская 16 млн. хостов, оставляет только часть первого байта для идентификации сети. В результате во всем мире может существовать лишь 126 сетей класса А. Только крупные компании, подобные AT & Т, IBM, Xerox и HP, имеют такой сетевой адрес. Когда компания запрашивает IP-сеть в органе, ведающем сетями, обычно она получает сеть класса С.
Если компания пожелает, чтобы больше хостов напрямую были подключены к Интернету, можно найти еще одну сеть класса С. Если для каждого хоста в сети не требуется прямого доступа к Интернету, можно использовать частный IP-адрес, и тогда применяется другая опция.
Сетевые адреса классов А, В и С оставляют свободными адреса, имеющие в первом байте значения от 224 до 255.
Агентство IANA выделяет номера сетей и публикует их перечень на странице http://www.iana.org/assignments/ipv4-adclress-space. Почти во всех странах есть региональные регистрационные ведомства, выдающие по запросам номера сетей. Региональные ведомства получают диапазон сетей от IANA.
Чтобы избежать исчерпания IP-адресов, хосты, не соединенные напрямую с Интернетом, могут использовать адреса из диапазонов частных адресов. Частные адреса уникальны не глобально, а только локально, внутри сети. Во всех классах сетей резервируются определенные диапазоны, которые могут использоваться как частные адреса хостами, не требующими непосредственного двустороннего доступа к Интернету. Такие хосты вполне могут обращаться к Интернету через шлюз, который не посылает во внешнюю сеть частный IP-адрес.
Подсети
Для соединения двух узлов в разных сетях требуется маршрутизатор. Номер хоста определяется 24 битами IP-адреса класса А, в то время как для сети класса С доступно лишь 8 битов. Маршрутизатор разделяет номер хоста на номер подсети и номер хоста в подсети. Включение дополнительных маршрутизаторов сократит объемы широковещательной передачи в сети, а это может сократить нагрузку в сети.
Новые маршрутизаторы главным образом включаются, чтобы улучшить возможность соединения между группами компьютеров в разных зданиях, городах и т. д. Рассмотрим пример разделения сети класса С с адресом 194.180.44 на подсети.
Такая сеть может фильтровать адреса с помощью маски подсети (subnet mask) 255.255.255.224. Первые три байта (состоящие из всех единиц) представляют собой маску для сети класса С. Последний байт - это десятичное значение двоичного представления 11100000, в котором первые три бита адреса хоста указывают подсеть, а последние пять битов представляют адрес хоста в конкретной подсети. Три бита подсети представляют 128, 64 и 32, и, таким образом, поддерживаются адреса подсетей, показанные ниже:
IPv6
Протокол, предшествовавший Internet Protocol, был разработан Управлением перспективных исследовательских работ Министерства обороны США (DARPA) в 1960-х годах, а набор протоколов TCP/IP получил признание лишь в 1980 г. Поскольку IP базировался на существовавших сетевых протоколах DARPA, он получил номер версии 4 и теперь известен как IPv4. В те времена, когда человечество в большинстве своем представляло себе мобильный телефон как трубку, которую можно снимать со стены и переносить к дивану, число хостов, поддерживаемых IP, казалось более чем достаточным.
Однако сегодня все хотят подключить к Интернету холодильники и газонокосилки, и IETF разработало новую версию IP - IPv6. Наиболее важное изменение этой версии по сравнению с IPv4 заключается в использовании для адресации не 32, а 128 битов, что позволит всем Tablet PC, Pocket PC, мобильным телефонам, телевизорам, автомобилям, газонокосилкам, кофеваркам и мусорным контейнерам стать полноправными хостами Интернета. :)
Кроме возможности назначить адрес почти каждому атому в Солнечной системе, в IPv6 появляется еще несколько полезных изменений:
Возможности расширенной адресации. Чтобы определить диапазон адресов групповой рассылки, в адреса IPv6 может включаться маршрутная информация о группах. Кроме того, появляется альтернативный адрес для отправки сообщения любому хосту или любой группе хостов.
Упрощение формата заголовка. Некоторые поля заголовка IPv4 удаляются, другие становятся необязательными. Однако полная длина заголовка IPv6 больше, чем в IPv4 из-за 128-битных адресов источника и назначения.
Улучшенная поддержка расширяемости. В будущем добавлять расширения к протоколу IPv6 станет легче. Ограничения на длину для опций удалено.
Маркирование потока. Для конкретных потоков трафика добавляется новая возможность. Поток - это последовательность пакетов, перемещающаяся от источника к назначению. В новом протоколе приложения могут предлагать аудио- и видеовозможности в реальном времени по различным потокам. Каждый поток может запрашивать обработку в реальном времени или особо качественную обработку у маршрутизаторов, через которые он распространяется.
Аутентификация и секретность. Добавляются расширения IPv6, поддерживающие аутентификацию, секретность и конфиденциальность отправляемых данных.
Номера портов
Для идентификации узлов сети протокол IP использует IP-адреса, а транспортный уровень (уровень 4) использует конечные точки для идентификации приложения. Чтобы указать конечную точку приложения, протоколы TCP и UDP вместе с IP-адресом используют номер порта.
Сервер должен предоставить известную конечную точку, с которой мог бы соединиться клиент, хотя номер порта может создаваться для клиента динамически. Номера портов TCP и UDP имеют длину 16 битов, их можно подразделить на три категории:
Системные (известные) номера портов
Пользовательские (зарегистрированные) номера портов
Динамические, или частные, порты
Системные номера портов находятся в диапазоне от 0 до 1023. Эти номера должны использоваться только системными, привилегированными процессами. Широко известные протоколы пользуются номерами портов, установленными по умолчанию из этого диапазона.
Пользовательские номера портов находятся в диапазоне от 1024 до 49151. Ваше серверное приложение обычно будет занимать один из этих портов, и вы, если захотите сделать его известным сообществу пользователей Интернета, сможете зарегистрировать номер порта в IANA.
Динамические номера портов принимают значения из диапазона от 49 152 до 65 535. Если не требуется знать номер порта до запуска приложения, подойдет порт в этом диапазоне. Клиентские приложения, которые соединяются с серверами, могут использовать такой порт.
Запустив утилиту netstat с опцией -а, мы увидим перечень всех используемых в данный момент портов и указание о состоянии соединения — находится ли соединение в состоянии прослушивания или соединение уже было установлено:
В файле services из каталога <windir>\system32\drivers\etc перечислены многие предопределенные пользовательские и системные номера портов. Если порт содержится в перечне этого файла, то утилита netstat вместо номера порта отобразит имя протокола.
