Назначение и классификация вычислительных сетей

Каждый  компьютер в сети TCP/IP имеет адреса трех уровней:

     - Локальный адрес узла, определяемый технологией, с помощью которой построена отдельная сеть, в которую входит данный узел. Для узлов, входящих в локальные сети - это МАС-адрес сетевого адаптера или порта маршрутизатора, например, 11-А0-17-3D-BC-01. Эти адреса назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как управляются централизовано. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет формат 6 байтов: старшие 3 байта - идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, такие как Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.

     -IP-адрес, состоящий из 4 байт, например, 109.26.17.100. Этот адрес используется на сетевом уровне. Он назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center, NIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно провайдеры услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений NIC, а затем распределяют их между своими абонентами.

Номер узла в протоколе IP назначается  независимо от локального адреса узла. Деление IP-адреса на поле номера сети и  номера узла - гибкое, и граница между этими полями может устанавливаться весьма произвольно. Узел может входить в несколько IP-сетей. В этом случае узел должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким образом IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.

     -Символьный идентификатор-имя, например, SERV1.IBM.COM. Этот адрес назначается администратором и состоит из нескольких частей, например, имени машины, имени организации, имени домена. Такой адрес, называемый также DNS-именем, используется на прикладном уровне, например, в протоколах FTP или telnet.

   Три основных класса IP-адресов.

IP-адрес имеет длину 4 байта  и обычно записывается в виде  четырех чисел, представляющих  значения каждого байта в десятичной форме, и разделенных точками, например:

128.10.2.30 - традиционная десятичная  форма представления адреса,

10000000 00001010 00000010 00011110 - двоичная форма  представления этого же адреса.

На рисунке показана структура IP-адреса.

 

Класс А 0

N сети

N узла

Класс В 1

0

N сети

N узла

Класс С 1

1

0

N сети

N узла

Класс D 1

1

1

0

адрес группы multicast

Класс Е 1

1

1

1

0

зарезервирован

 

 

Адрес состоит из двух логических частей - номера сети и номера узла в  сети. Какая часть адреса относится к номеру сети, а какая к номеру узла, определяется значениями первых битов адреса:

• Если адрес начинается с 0, то сеть относят к классу А, и номер сети занимает один байт, остальные 3 байта интерпретируются как номер узла в сети. Сети класса А имеют номера в диапазоне от 1 до 126. (Номер 0 не используется, а номер 127 зарезервирован для специальных целей, о чем будет сказано ниже.) В сетях класса А количество узлов должно быть больше 216 , но не превышать 224.
• Если первые два бита адреса равны 10, то сеть относится к классу В и является сетью средних размеров с числом узлов 28 - 216. В сетях класса В под адрес сети и под адрес узла отводится по 16 битов, то есть по 2 байта.
• Если адрес начинается с последовательности 110, то это сеть класса С с числом узлов не больше 28. Под адрес сети отводится 24 бита, а под адрес узла - 8 битов.
• Если адрес начинается с последовательности 1110, то он является адресом класса D и обозначает особый, групповой адрес - multicast. Если в пакете в качестве адреса назначения указан адрес класса D, то такой пакет должны получить все узлы, которым присвоен данный адрес.
• Если адрес начинается с последовательности 11110, то это адрес класса Е, он зарезервирован для будущих применений.

В таблице приведены диапазоны  номеров сетей, соответствующих каждому классу сетей.

Класс	Наименьший адрес	Наибольший адрес
A	01.0.0	126.0.0.0
B	128.0.0.0	191.255.0.0
C	192.0.1.0	223.255.255.0
D	224.0.0.0	239.255.255.255
E	240.0.0.0	247.255.255.255

 

 

MAC-адрес (Media Access Control - управление доступом к носителю) - это уникальный идентификатор, сопоставляемый с различными типами оборудования для компьютерных сетей. MAC-адрес позволяет уникально идентифицировать каждый узел сети и доставлять данные только этому узлу. Существует несколько типов MAC-адресов. Адреса типа MAC-48 наиболее распространены; они используются в таких технологиях, как Ethernet, Token ring, FDDI и др. Они состоят из 48 бит, таким образом, адресное пространство MAC-48 насчитывает 2⁴⁸ (или 281 474 976 710 656) адресов. Согласно подсчётам IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers - Институт инженеров электротехники и электроники - международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники, мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике), этого запаса адресов хватит по меньшей мере до 2100 года.

Протокол DHCP предоставляет три  способа распределения IP-адресов:

     -Ручное распределение. При этом способе сетевой администратор сопоставляет аппаратному адресу (обычно MAC-адресу) каждого клиентского компьютера определённый IP-адрес. Фактически, данный способ распределения адресов отличается от ручной настройки каждого компьютера лишь тем, что сведения об адресах хранятся централизованно (на сервере DHCP), и потому их проще изменять при необходимости.

     -Автоматическое распределение. При данном способе каждому компьютеру на постоянное использование выделяется произвольный свободный IP-адрес из определённого администратором диапазона.

     -Динамическое распределение. Этот способ аналогичен автоматическому распределению, за исключением того, что адрес выдаётся компьютеру не на постоянное пользование, а на определённый срок. Это называется арендой адреса. По истечении срока аренды IP-адрес вновь считается свободным, и клиент обязан запросить новый (он, впрочем, может оказаться тем же самым).

Помимо IP-адреса, DHCP также может  сообщать клиенту дополнительные параметры, необходимые для нормальной работы в сети (опции DHCP). Некоторыми из наиболее часто используемых опций являются IP-адрес маршрутизатора по умолчанию, маска подсети, адреса серверов DNS, имя домена DNS.

Процесс получения IP-адреса клиентом от сервера DHCP состоит из четырёх  этапов:

     -Клиент выполняет широковещательный запрос по всей физической сети с целью обнаружить доступные DHCP-серверы. Он отправляет специальное широковещательное сообщение указывая в качестве IP-адреса источника 0.0.0.0, а в качестве адреса назначения — широковещательный адрес 255.255.255.255. В сообщении указывается аппаратный адрес (MAC-адрес) клиента, последний известный клиенту IP-адрес (если такой есть), и некоторые другие параметры.

     -Получив сообщение от клиента, сервер определяет требуемую конфигурацию клиента в соответствии с указанными сетевым администратором настройками. Свой ответ DHCP-сервер рассылает широковещательно. Клиент может получить несколько различных предложений DHCP от разных серверов; из них он должен выбрать то, которое его "устраивает".

     -Выбрав одну из конфигураций, предложенных DHCP-серверами, клиент отправляет специальный широковещательный запрос DHCP.

     -Наконец, сервер подтверждает запрос и направляет это подтверждение клиенту. После этого клиент должен настроить свой сетевой интерфейс, используя предоставленные опции.

Если после получения подтверждения от сервера DHCP клиент обнаруживает, что указанный сервером адрес уже используется в сети, он рассылает широковещательное сообщение отказа DHCP, после чего процедура получения IP-адреса повторяется. Если по каким-то причинам сервер не может предоставить клиенту запрошенный IP-адрес, или если аренда адреса удаляется администратором, сервер рассылает широковещательное сообщение отмены DHCP. При получении такого сообщения соответствующий клиент должен повторить процедуру получения адреса. Клиент может явным образом прекратить аренду IP-адреса; для этого он отправляет сообщение освобождения DHCP тому серверу, который предоставил ему адрес в аренду.

Компания Microsoft впервые включила сервер DHCP в поставку серверной версии Windows NT 3.5, выпущенной в 1994 году. Начиная с Windows 2000 Server реализация DHCP-сервера от Microsoft позволяет динамически обновлять записи DNS, что используется в Active Directory.

 

DNS (Domain Name System - система доменных имён) - это система, позволяющая преобразовывать символьные имена доменов в IP-адреса (и наоборот) в сетях TCP/IP. DNS важна для работы Интернета, т.к. для соединения с узлом необходима информация о его IP-адресе, а для людей проще запоминать буквенные (обычно осмысленные) адреса, чем последовательность цифр IP-адреса.

Доменное имя содержит, как минимум, две части (которые обычно называются метками), разделённые точкой. Самая  правая метка является доменом верхнего уровня (например, для адреса script-coding.com домен верхнего уровня - info). Каждая следующая метка справа налево является поддоменом. Теоретически такое деление может достигать глубины 127 уровней, а каждая метка может содержать до 63 символов, пока общая длина вместе с точками не достигнет 254 символов. Но на практике регистраторы доменных имён используют более строгие ограничения.

Система DNS содержит иерархию серверов DNS, которая совпадает с иерархией  доменов. Корневые серверы DNS - это серверы DNS, содержащие информацию о доменах  верхнего уровня. Они управляются  различными организациями, действующими по согласованию с ICANN. Для повышения устойчивости системы используется множество серверов, содержащих идентичную информацию. Существует 13 корневых серверов, расположенных по всему миру и привязанных к своему региону, их адреса никогда не меняются, а информация о них есть в любой операционной системе.

Предположим, мы набрали в браузере адрес forum.script-coding.com. Браузер знает  только IP-адрес сервера DNS, обычно это  один из серверов интернет-провайдера (DNS по умолчанию в настройках соединения). Браузер спрашивает у сервера DNS: "какой IP-адрес у forum.script-coding.com?". Сервер DNS обращается к корневому серверу, этот сервер сообщает - "у меня нет информации о данном адресе, но я знаю, что сервер с IP xxx.xx.xxx.x поддерживает доменную зону info". Тогда сервер DNS направляет свой запрос по IP xxx.xx.xxx.x, но тот отвечает - "у меня нет информации о данном сервере, но я знаю, что сервер с IP yyy.yy.yyy.y поддерживает доменную зону script-coding.com". Наконец, тот же запрос отправляется к третьему DNS-серверу, и получается ответ - IP-адрес forum.script-coding.com, который и возвращается клиенту - браузеру. Примечание: DNS используется в первую очередь для преобразования символьных имён в IP-адреса, но он также может выполнять и обратный процесс. Практически запрос на определение имени обычно не идёт дальше кэша DNS, который помнит (ограниченное время) ответы на запросы, проходившие через него ранее. Организации или провайдеры могут по своему усмотрению организовывать кэш DNS.

Имя хоста и IP-адрес не тождественны — хост с одним IP-адресом может  иметь множество имён, что позволяет, например, поддерживать на одном компьютере множество веб-сайтов (это называется виртуальный хостинг). Обратное также  справедливо.

Ethernet ("эзернет", от лат. aether - эфир) - это пакетная технология компьютерных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат пакетов и протоколы управления доступом к среде. Сетевая плата (сетевая карта, сетевой адаптер, сетевой интерфейс, Ethernet-адаптер, NIC, т.е. network interface card) - это печатная плата, позволяющая взаимодействовать компьютерам между собой, посредством локальной сети. Обычно сетевая плата идёт как отдельное устройство и вставляется в слоты расширения материнской платы (в основном - PCI, ранние модели использовали шину ISA). На современных материнских платах сетевой адаптер всё чаще является встроенным, таким образом, покупать отдельную плату не нужно до тех пор, пока не требуется организация ещё одного сетевого интерфейса.

Хаб (hub - буквально "ступица колеса") - это в общем смысле узел какой-то сети. В компьютерной технике под  этим словом обычно понимают сетевой  концентратор, т.е. сетевое устройство для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна. Сетевой коммутатор или свитч (switch - переключатель) - это устройство, предназначенное для тех же целей, что и хаб. В отличие от хаба, который распространяет трафик от одного подключенного устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только непосредственно получателю, что повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались. Свитч в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам, а для соединения нескольких сетей служат маршрутизаторы.

Коммутатор (свитч) хранит в памяти специальную таблицу, в которой  указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении коммутатора эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом коммутатор анализирует пакеты данных, определяя MAC-адрес компьютера-отправителя, и заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит пакет, предназначенный для этого компьютера, этот пакет будет отправлен только на соответствующий порт. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется.

Хоп (hop, прыжок) - это процесс передачи сетевого пакета (или датаграммы) между  хостами сети. Обычно используется для определения "расстояния" между узлами (чем больше хопов, тем сложнее путь маршрутизации и тем "дальше" находятся узлы друг от друга).