Какие функции выполняет протокол ip маршрутизация коррекция ошибок установка соединения

Протокол
IP является протоколом сетевого уровня
стека протоколов TCP/IP. Функции протокола
IP определены следующим образом: “Протокол
IP обеспечивает передачу блоков данных,
называемых дейтаграммами, от отправителя
к получателям, где отправители и
получатели являются компьютерами,
идентифицируемыми адресами фиксированной
длины (IP-адресами).
Протокол IP обеспечивает при необходимости
также фрагментацию
и сборку
дейтаграмм для передачи данных через
сети с малым размером пакетов”.
Вместо термина дейтаграмма мы далее
будем употреблять термин пакет, как и
договаривались ранее.

Протокол
IP является ненадежным
протоколом без
установления соединения.
Это означает, что протокол IP не подтверждает
доставку данных, не контролирует
целостность полученных данных и не
производит операцию обмена служебными
сообщениями, подтверждающими установку
соединения с узлом назначения и его
готовность к приему данных. Протокол
IP обрабатывает каждый пакет как
независимую единицу, не имеющую связи
ни с какими другими пакетами в Интернет.
После того, как пакет отправляется в
сеть, его дальнейшая судьба никак не
контролируется отправителем (на уровне
протокола IP). Если пакет не может быть
доставлен, он уничтожается. Узел,
уничтоживший дейтаграмму, может оправить
по обратному адресу специальное
ICMP-сообщение
о причине сбоя.

Гарантию
правильной передачи данных могут
предоставлять протоколы вышестоящих
уровней (например, протокол TCP транспортного
уровня), которые имеют для этого
необходимые механизмы.

Одна
из основных задач, решаемых протоколом
IP, — маршрутизация пакетов, т.е. определение
пути следования пакета от одного узла
сети к другому на основании адреса
получателя.

Ip- адрес

IP-
адрес — это 32-битное двоичное число.

Принята
десятичная нотация адресов. Каждый из
4 байтов адреса представляется
эквивалентным десятичным числом. Числа
разделяются точками. Так для IP-адреса

11010100
11000001 00100000 00000100

имеем
в десятичном виде

212.193.32.4

IP-адрес
может быть форматирован или 5 классическими
способами (классы A, B C, D,
E)
или маской переменной длины (бесклассова
адресация).

Существуют
дополнительные правила формирования
IP-
адресов.

Для
номера сети:

1. первый
   октет идентификатора сети не может
   быть равен 127
   (адреса вида 127.x.y.z
   предназначены для отправки узлом
   пакетов самому себе и используются как
   правило для отладки сетевых приложений,
   такие адреса называются loopback-адресами,
   или адресами обратной связи);

2. все
   разряды идентификатора сети не могут
   состоять из одних 1
   (IP-адреса, все биты которых установлены
   в 1, используются при широковещательной
   передаче информации);

3. все
   разряды идентификатора сети не могут
   состоять из одних 0
   (в IP-адресах все биты, установленные в
   ноль, соответствуют либо данному
   устройству, либо данной сети);

Для
номера узла:

1. все
   разряды идентификатора узла не могут
   состоять из одних 1
   (идентификатор узла, состоящий из одних
   1,
   используется для широковещательных
   адресов, или broadcast-адресов);

2. все
   разряды идентификатора узла не могут
   состоять из одних 0
   (если разряды идентификатора узла равны
   0,
   то такой адрес обозначает всю сеть,
   например, адрес 192.168.1.0
   обозначает всю сеть с идентификатором
   сети 192.168.1;

Из
структуры адреса класса А следует, что
в первом октете он может иметь значения
от 0 до 127. С учетом вышеперечисленных
ограничений значения 0 и 127 недопустимы.
Существует, таки образом, только 126 сетей
класса А. Остальные 24 бита адресуют
хосты в сети класса А. Для классических
сетей А,В и С таким образом имеем:

Соответственно
для узлов в этих сетях:

Номера
сетей назначаются корпорацией по
присвоению имен и номеров ICANN
(Internet
Corporation
for
Assigned
Names
and
Numbers)
и региональными организациями. В Европе
RIPЕ,
в России RIPN.

Серые
адреса – способ экономии адресного
пространства

Когда
в начале 90-х появились проблемы с адресным
пространством, в марте 1994 г было принято
решение об адресном «сегментировании»
общего пространства — выделении для
локальных сетей отдельных диапазонов
IP-адресов и исключение этих IP-адресов
из использования в интернете:

Соседние файлы в папке Лекции

• #
• #
• #
• #
• #
• #

From Wikipedia, the free encyclopedia

The Internet Protocol (IP) is the network layer communications protocol in the Internet protocol suite for relaying datagrams across network boundaries. Its routing function enables internetworking, and essentially establishes the Internet.

IP has the task of delivering packets from the source host to the destination host solely based on the IP addresses in the packet headers. For this purpose, IP defines packet structures that encapsulate the data to be delivered. It also defines addressing methods that are used to label the datagram with source and destination information.

IP was the connectionless datagram service in the original Transmission Control Program introduced by Vint Cerf and Bob Kahn in 1974, which was complemented by a connection-oriented service that became the basis for the Transmission Control Protocol (TCP). The Internet protocol suite is therefore often referred to as TCP/IP.

The first major version of IP, Internet Protocol Version 4 (IPv4), is the dominant protocol of the Internet. Its successor is Internet Protocol Version 6 (IPv6), which has been in increasing deployment on the public Internet since c. 2006.^[1]

Function[edit]

The Internet Protocol is responsible for addressing host interfaces, encapsulating data into datagrams (including fragmentation and reassembly) and routing datagrams from a source host interface to a destination host interface across one or more IP networks.^[2] For these purposes, the Internet Protocol defines the format of packets and provides an addressing system.

Each datagram has two components: a header and a payload. The IP header includes source IP address, destination IP address, and other metadata needed to route and deliver the datagram. The payload is the data that is transported. This method of nesting the data payload in a packet with a header is called encapsulation.

IP addressing entails the assignment of IP addresses and associated parameters to host interfaces. The address space is divided into subnetworks, involving the designation of network prefixes. IP routing is performed by all hosts, as well as routers, whose main function is to transport packets across network boundaries. Routers communicate with one another via specially designed routing protocols, either interior gateway protocols or exterior gateway protocols, as needed for the topology of the network.^[3]

Version history[edit]

In May 1974, the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) published a paper entitled «A Protocol for Packet Network Intercommunication».^[4] The paper’s authors, Vint Cerf and Bob Kahn, described an internetworking protocol for sharing resources using packet switching among network nodes. A central control component of this model was the «Transmission Control Program» that incorporated both connection-oriented links and datagram services between hosts. The monolithic Transmission Control Program was later divided into a modular architecture consisting of the Transmission Control Protocol and User Datagram Protocol at the transport layer and the Internet Protocol at the internet layer. The model became known as the Department of Defense (DoD) Internet Model and Internet protocol suite, and informally as TCP/IP.

IP versions 1 to 3 were experimental versions, designed between 1973 and 1978.^[5] The following Internet Experiment Note (IEN) documents describe version 3 of the Internet Protocol, prior to the modern version of IPv4:

• IEN 2 (Comments on Internet Protocol and TCP), dated August 1977 describes the need to separate the TCP and Internet Protocol functionalities (which were previously combined). It proposes the first version of the IP header, using 0 for the version field.
• IEN 26 (A Proposed New Internet Header Format), dated February 1978 describes a version of the IP header that uses a 1-bit version field.
• IEN 28 (Draft Internetwork Protocol Description Version 2), dated February 1978 describes IPv2.
• IEN 41 (Internetwork Protocol Specification Version 4), dated June 1978 describes the first protocol to be called IPv4. The IP header is different from the modern IPv4 header.
• IEN 44 (Latest Header Formats), dated June 1978 describes another version of IPv4, also with a header different from the modern IPv4 header.
• IEN 54 (Internetwork Protocol Specification Version 4), dated September 1978 is the first description of IPv4 using the header that would be standardized in RFC 760.

The dominant internetworking protocol in the Internet Layer in use is IPv4; the number 4 identifies the protocol version, carried in every IP datagram. IPv4 is described in RFC 791 (1981).

Versions 2 and 3, and a draft of version 4, allowed an address length of up to 128 bits,^[6] but this was mistakenly^{[citation needed]} reduced to 32 bits in the final version of IPv4.

Version number 5 was used by the Internet Stream Protocol, an experimental streaming protocol that was not adopted.^[5]

The successor to IPv4 is IPv6. IPv6 was a result of several years of experimentation and dialog during which various protocol models were proposed, such as TP/IX (RFC 1475), PIP (RFC 1621) and TUBA (TCP and UDP with Bigger Addresses, RFC 1347). Its most prominent difference from version 4 is the size of the addresses. While IPv4 uses 32 bits for addressing, yielding c. 4.3 billion (4.3×10⁹) addresses, IPv6 uses 128-bit addresses providing c. 3.4×10³⁸ addresses. Although adoption of IPv6 has been slow, as of September 2021, most countries in the world show significant adoption of IPv6,^[7] with over 35% of Google’s traffic being carried over IPv6 connections.^[8]

The assignment of the new protocol as IPv6 was uncertain until due diligence assured that IPv6 had not been used previously.^[9] Other Internet Layer protocols have been assigned version numbers,^[10] such as 7 (IP/TX), 8 and 9 (historic). Notably, on April 1, 1994, the IETF published an April Fools’ Day joke about IPv9.^[11] IPv9 was also used in an alternate proposed address space expansion called TUBA.^[12] A 2004 Chinese proposal for an «IPv9» protocol appears to be unrelated to all of these, and is not endorsed by the IETF.

Reliability[edit]

The design of the Internet protocol suite adheres to the end-to-end principle, a concept adapted from the CYCLADES project. Under the end-to-end principle, the network infrastructure is considered inherently unreliable at any single network element or transmission medium and is dynamic in terms of the availability of links and nodes. No central monitoring or performance measurement facility exists that tracks or maintains the state of the network. For the benefit of reducing network complexity, the intelligence in the network is purposely located in the end nodes.^[13]

As a consequence of this design, the Internet Protocol only provides best-effort delivery and its service is characterized as unreliable. In network architectural parlance, it is a connectionless protocol, in contrast to connection-oriented communication. Various fault conditions may occur, such as data corruption, packet loss and duplication. Because routing is dynamic, meaning every packet is treated independently, and because the network maintains no state based on the path of prior packets, different packets may be routed to the same destination via different paths, resulting in out-of-order delivery to the receiver.

All fault conditions in the network must be detected and compensated by the participating end nodes. The upper layer protocols of the Internet protocol suite are responsible for resolving reliability issues. For example, a host may buffer network data to ensure correct ordering before the data is delivered to an application.

IPv4 provides safeguards to ensure that the header of an IP packet is error-free. A routing node discards packets that fail a header checksum test. Although the Internet Control Message Protocol (ICMP) provides notification of errors, a routing node is not required to notify either end node of errors. IPv6, by contrast, operates without header checksums, since current link layer technology is assumed to provide sufficient error detection.^[14][15]

Link capacity and capability[edit]

The dynamic nature of the Internet and the diversity of its components provide no guarantee that any particular path is actually capable of, or suitable for, performing the data transmission requested. One of the technical constraints is the size of data packets possible on a given link. Facilities exist to examine the maximum transmission unit (MTU) size of the local link and Path MTU Discovery can be used for the entire intended path to the destination.^[16]

The IPv4 internetworking layer automatically fragments a datagram into smaller units for transmission when the link MTU is exceeded. IP provides re-ordering of fragments received out of order.^[17] An IPv6 network does not perform fragmentation in network elements, but requires end hosts and higher-layer protocols to avoid exceeding the path MTU.^[18]

The Transmission Control Protocol (TCP) is an example of a protocol that adjusts its segment size to be smaller than the MTU. The User Datagram Protocol (UDP) and ICMP disregard MTU size, thereby forcing IP to fragment oversized datagrams.^[19]

Security[edit]

During the design phase of the ARPANET and the early Internet, the security aspects and needs of a public, international network could not be adequately anticipated. Consequently, many Internet protocols exhibited vulnerabilities highlighted by network attacks and later security assessments. In 2008, a thorough security assessment and proposed mitigation of problems was published.^[20] The IETF has been pursuing further studies.^[21]

See also[edit]

• ICANN
• IP routing
• List of IP protocol numbers
• Next-generation network
• New IP (proposal)

References[edit]

External links[edit]

• Manfred Lindner. «IP Technology» (PDF). Retrieved 2018-02-11.
• Manfred Lindner. «IP Routing» (PDF). Retrieved 2018-02-11.

From Wikipedia, the free encyclopedia

The Internet Protocol (IP) is the network layer communications protocol in the Internet protocol suite for relaying datagrams across network boundaries. Its routing function enables internetworking, and essentially establishes the Internet.

IP has the task of delivering packets from the source host to the destination host solely based on the IP addresses in the packet headers. For this purpose, IP defines packet structures that encapsulate the data to be delivered. It also defines addressing methods that are used to label the datagram with source and destination information.

IP was the connectionless datagram service in the original Transmission Control Program introduced by Vint Cerf and Bob Kahn in 1974, which was complemented by a connection-oriented service that became the basis for the Transmission Control Protocol (TCP). The Internet protocol suite is therefore often referred to as TCP/IP.

The first major version of IP, Internet Protocol Version 4 (IPv4), is the dominant protocol of the Internet. Its successor is Internet Protocol Version 6 (IPv6), which has been in increasing deployment on the public Internet since c. 2006.^[1]

Function[edit]

The Internet Protocol is responsible for addressing host interfaces, encapsulating data into datagrams (including fragmentation and reassembly) and routing datagrams from a source host interface to a destination host interface across one or more IP networks.^[2] For these purposes, the Internet Protocol defines the format of packets and provides an addressing system.

Each datagram has two components: a header and a payload. The IP header includes source IP address, destination IP address, and other metadata needed to route and deliver the datagram. The payload is the data that is transported. This method of nesting the data payload in a packet with a header is called encapsulation.

IP addressing entails the assignment of IP addresses and associated parameters to host interfaces. The address space is divided into subnetworks, involving the designation of network prefixes. IP routing is performed by all hosts, as well as routers, whose main function is to transport packets across network boundaries. Routers communicate with one another via specially designed routing protocols, either interior gateway protocols or exterior gateway protocols, as needed for the topology of the network.^[3]

Version history[edit]

In May 1974, the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) published a paper entitled «A Protocol for Packet Network Intercommunication».^[4] The paper’s authors, Vint Cerf and Bob Kahn, described an internetworking protocol for sharing resources using packet switching among network nodes. A central control component of this model was the «Transmission Control Program» that incorporated both connection-oriented links and datagram services between hosts. The monolithic Transmission Control Program was later divided into a modular architecture consisting of the Transmission Control Protocol and User Datagram Protocol at the transport layer and the Internet Protocol at the internet layer. The model became known as the Department of Defense (DoD) Internet Model and Internet protocol suite, and informally as TCP/IP.

IP versions 1 to 3 were experimental versions, designed between 1973 and 1978.^[5] The following Internet Experiment Note (IEN) documents describe version 3 of the Internet Protocol, prior to the modern version of IPv4:

• IEN 2 (Comments on Internet Protocol and TCP), dated August 1977 describes the need to separate the TCP and Internet Protocol functionalities (which were previously combined). It proposes the first version of the IP header, using 0 for the version field.
• IEN 26 (A Proposed New Internet Header Format), dated February 1978 describes a version of the IP header that uses a 1-bit version field.
• IEN 28 (Draft Internetwork Protocol Description Version 2), dated February 1978 describes IPv2.
• IEN 41 (Internetwork Protocol Specification Version 4), dated June 1978 describes the first protocol to be called IPv4. The IP header is different from the modern IPv4 header.
• IEN 44 (Latest Header Formats), dated June 1978 describes another version of IPv4, also with a header different from the modern IPv4 header.
• IEN 54 (Internetwork Protocol Specification Version 4), dated September 1978 is the first description of IPv4 using the header that would be standardized in RFC 760.

The dominant internetworking protocol in the Internet Layer in use is IPv4; the number 4 identifies the protocol version, carried in every IP datagram. IPv4 is described in RFC 791 (1981).

Versions 2 and 3, and a draft of version 4, allowed an address length of up to 128 bits,^[6] but this was mistakenly^{[citation needed]} reduced to 32 bits in the final version of IPv4.

Version number 5 was used by the Internet Stream Protocol, an experimental streaming protocol that was not adopted.^[5]

The successor to IPv4 is IPv6. IPv6 was a result of several years of experimentation and dialog during which various protocol models were proposed, such as TP/IX (RFC 1475), PIP (RFC 1621) and TUBA (TCP and UDP with Bigger Addresses, RFC 1347). Its most prominent difference from version 4 is the size of the addresses. While IPv4 uses 32 bits for addressing, yielding c. 4.3 billion (4.3×10⁹) addresses, IPv6 uses 128-bit addresses providing c. 3.4×10³⁸ addresses. Although adoption of IPv6 has been slow, as of September 2021, most countries in the world show significant adoption of IPv6,^[7] with over 35% of Google’s traffic being carried over IPv6 connections.^[8]

The assignment of the new protocol as IPv6 was uncertain until due diligence assured that IPv6 had not been used previously.^[9] Other Internet Layer protocols have been assigned version numbers,^[10] such as 7 (IP/TX), 8 and 9 (historic). Notably, on April 1, 1994, the IETF published an April Fools’ Day joke about IPv9.^[11] IPv9 was also used in an alternate proposed address space expansion called TUBA.^[12] A 2004 Chinese proposal for an «IPv9» protocol appears to be unrelated to all of these, and is not endorsed by the IETF.

Reliability[edit]

The design of the Internet protocol suite adheres to the end-to-end principle, a concept adapted from the CYCLADES project. Under the end-to-end principle, the network infrastructure is considered inherently unreliable at any single network element or transmission medium and is dynamic in terms of the availability of links and nodes. No central monitoring or performance measurement facility exists that tracks or maintains the state of the network. For the benefit of reducing network complexity, the intelligence in the network is purposely located in the end nodes.^[13]

As a consequence of this design, the Internet Protocol only provides best-effort delivery and its service is characterized as unreliable. In network architectural parlance, it is a connectionless protocol, in contrast to connection-oriented communication. Various fault conditions may occur, such as data corruption, packet loss and duplication. Because routing is dynamic, meaning every packet is treated independently, and because the network maintains no state based on the path of prior packets, different packets may be routed to the same destination via different paths, resulting in out-of-order delivery to the receiver.

All fault conditions in the network must be detected and compensated by the participating end nodes. The upper layer protocols of the Internet protocol suite are responsible for resolving reliability issues. For example, a host may buffer network data to ensure correct ordering before the data is delivered to an application.

IPv4 provides safeguards to ensure that the header of an IP packet is error-free. A routing node discards packets that fail a header checksum test. Although the Internet Control Message Protocol (ICMP) provides notification of errors, a routing node is not required to notify either end node of errors. IPv6, by contrast, operates without header checksums, since current link layer technology is assumed to provide sufficient error detection.^[14][15]

Link capacity and capability[edit]

The dynamic nature of the Internet and the diversity of its components provide no guarantee that any particular path is actually capable of, or suitable for, performing the data transmission requested. One of the technical constraints is the size of data packets possible on a given link. Facilities exist to examine the maximum transmission unit (MTU) size of the local link and Path MTU Discovery can be used for the entire intended path to the destination.^[16]

The IPv4 internetworking layer automatically fragments a datagram into smaller units for transmission when the link MTU is exceeded. IP provides re-ordering of fragments received out of order.^[17] An IPv6 network does not perform fragmentation in network elements, but requires end hosts and higher-layer protocols to avoid exceeding the path MTU.^[18]

The Transmission Control Protocol (TCP) is an example of a protocol that adjusts its segment size to be smaller than the MTU. The User Datagram Protocol (UDP) and ICMP disregard MTU size, thereby forcing IP to fragment oversized datagrams.^[19]

Security[edit]

During the design phase of the ARPANET and the early Internet, the security aspects and needs of a public, international network could not be adequately anticipated. Consequently, many Internet protocols exhibited vulnerabilities highlighted by network attacks and later security assessments. In 2008, a thorough security assessment and proposed mitigation of problems was published.^[20] The IETF has been pursuing further studies.^[21]

See also[edit]

• ICANN
• IP routing
• List of IP protocol numbers
• Next-generation network
• New IP (proposal)

References[edit]

External links[edit]

• Manfred Lindner. «IP Technology» (PDF). Retrieved 2018-02-11.
• Manfred Lindner. «IP Routing» (PDF). Retrieved 2018-02-11.

Протокол IP — основной протокол стека протоколов TCP/IP и основной протокол сетевого уровня. Именно он отвечает за передачу информации по сети и между отдельными сетями (подсетями). В его основе заложен дейтаграммный метод, который не гарантирует доставку пакета.

Функции протокола IP определены в стандарте RFC-791 следующим образом:

“Протокол IP обеспечивает передачу блоков данных, называемых дейтаграммами, от отправителя к получателям, где отправители и получатели являются компьютерами, идентифицируемыми адресами фиксированной длины (IP-адресами). Протокол IP обеспечивает при необходимости также фрагментацию и сборку дейтаграмм для передачи данных через сети с малым размером пакетов”.

Протокол IP является ненадежным протоколом без установления соединения. Это означает, что протокол IP не подтверждает доставку данных, не контролирует целостность полученных данных и не производит операцию квитирования (handshaking) – обмена служебными сообщениями, подтверждающими установку соединения с узлом назначения и его готовность к приему данных.

Протокол IP обрабатывает каждую дейтаграмму как независимую единицу, не имеющую связи ни с какими другими дейтаграммами в Интернет.

После того, как дейтаграмма отправляется в сеть, ее дальнейшая судьба никак не контролируется отправителем (на уровне протокола IP). Если дейтаграмма не может быть доставлена, она уничтожается. Узел, уничтоживший дейтаграмму, может оправить по обратному адресу ICMP-сообщение о причине сбоя.

Гарантию правильной передачи данных предоставляют протоколы вышестоящего уровня (например, протокол TCP или сервисы прикладного уровня), которые имеют для этого необходимые механизмы.

Одна из основных задач, решаемых протоколом IP, – маршрутизация дейтаграмм, т.е. определение пути следования дейтаграммы от одного узла сети к другому на основании адреса получателя.

Общий сценарий работы модуля IP на каком-либо узле сети, принимающего дейтаграмму из сети, не зависимо от конкретной реализации, то-есть операционной системы, таков:

• с одного из интерфейсов уровня доступа к среде передачи (например, с Ethernet-интерфейса) в модуль реализующий протокол IP поступает дейтаграмма;
• модуль IP анализирует заголовок дейтаграммы;
• если пунктом назначения дейтаграммы является данный компьютер:
  • если дейтаграмма является фрагментом большей дейтаграммы, ожидаются остальные фрагменты, после чего из них собирается исходная большая дейтаграмма;
  • из дейтаграммы извлекаются данные и направляются на обработку одному из протоколов вышележащего уровня (какому именно – указывается в заголовке дейтаграммы);
• если дейтаграмма не направлена ни на один из IP-адресов данного узла, то дальнейшие действия зависят от того, разрешена или запрещена ретрансляция (forwarding) “чужих” дейтаграмм;
  • если ретрансляция разрешена, то-есть узел выполняет маршрутизирующие функции, то определяются следующий узел сети, на который должна быть переправлена дейтаграмма для доставки ее по назначению, и интерфейс нижнего уровня, после чего дейтаграмма передается на нижний уровень этому интерфейсу для отправки; при необходимости может быть произведена фрагментация дейтаграммы;
  • если же дейтаграмма ошибочна или по каким-либо причинам не может быть доставлена, она уничтожается; при этом, как правило, отправителю дейтаграммы отсылается ICMP-сообщение об ошибке.

При получении данных от вышестоящего уровня для отправки их по сети IP-модуль формирует дейтаграмму с этими данными, в заголовок которой заносятся адреса отправителя и получателя (также полученные от транспортного уровня) и другая информация; после чего выполняются следующие шаги:

• если дейтаграмма предназначена этому же узлу, из нее извлекаются данные и направляются на обработку одному из протоколов транспортного уровня (какому именно – указывается в заголовке дейтаграммы);
• если дейтаграмма не направлена ни на один из IP-адресов данного узла, то определяются следующий узел сети, на который должна быть переправлена дейтаграмма для доставки ее по назначению, и интерфейс нижнего уровня, после чего дейтаграмма передается на нижний уровень этому интерфейсу для отправки; при необходимости может быть произведена фрагментация дейтаграммы;
• если же дейтаграмма ошибочна или по каким-либо причинам не может быть доставлена, она уничтожается.

Формат заголовка дейтаграммы IP (v4):

Октет
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31


0
Версия
IHL
Тип обслуживания
Длина пакета


4
Идентификатор
Флаги
Смещение фрагмента


8
Время жизни (TTL)
Протокол
Контрольная сумма заголовка


12
IP-адрес отправителя


16
IP-адрес получателя


20
Параметры (от 0 до 10-и 32-х битных слов)


 
Данные


  

• Версия — для IPv4 значение поля должно быть равно 4.
• IHL — (Internet Header Length) длина заголовка IP-пакета в 32-битных словах (dword). Именно это поле указывает на начало блока данных (англ. payload — полезный груз) в пакете. Минимальное корректное значение для этого поля равно 5.
• Тип обслу́живания (Type of Service, акроним TOS) — байт, содержащий набор критериев, определяющих тип обслуживания IP-пакетов. Поле в заголовке пакета IPv4, которое с годами приобретало различные цели, и описывалось почти в пяти RFC. В настоящее время TOS поле имеет 6 bit поля DiffServ Code Point (DSCP) и 2-bit поля Explicit Congestion Notification.Тип обслуживания позволяет приоритизировать IP-трафик на сетевых маршрутизаторах, с целью обеспечения высокого качества передачи данныхБайт побитно (0 – старший, 7 – младший):
  • 0-2 — приоритет (precedence) данного IP-сегмента
  • 3 — требование ко времени задержки (delay) передачи IP-сегмента (0 — нормальная, 1 — низкая задержка)
  • 4 — требование к пропускной способности (throughput) маршрута, по которому должен отправляться IP-сегмент (0 — низкая, 1 — высокая пропускная способность)
  • 5 — требование к надежности (reliability) передачи IP-сегмента (0 — нормальная, 1 — высокая надежность)
  • 6-7 — ECN — явное сообщение о задержке (управление IP-потоком).

  На практике в большинстве реализаций протокола IP данное поле почти всегда равно 0.

• Длина пакета — (Total Length) длина пакета в октетах, включая заголовок и данные. поле содержит общую длину пакета, размер которого не может превышать 65535 байт. Практически пакеты такой длины никогда не используются, поскольку технологии канального уровня накладывают свои ограничения. Так, Ethernet не допускает кадров с длиной более 1500 байт, FDDI – 4096 байт и т.д. В этой связи, протокол IP выполняет фрагментацию сегментов данных, поступающих к нему от TCP и UDP протоколов. Следует отметить, что маршрутизатор не выполняет сборку пакетов, даже если следующая сеть имеет параметр MTU (Maximum Transmission Unit), допускающий более крупные пакеты. Сборка пакетов в исходный сегмент производится на месте назначения.
• Идентификатор — (Identification) значение, назначаемое отправителем пакета и предназначенное для определения корректной последовательности фрагментов при сборке пакета. Для фрагментированного пакета все фрагменты имеют одинаковый идентификатор.
• 3 бита флагов. Первый бит должен быть всегда равен нулю, второй бит DF (don’t fragment) определяет возможность фрагментации пакета и третий бит MF (more fragments) показывает, не является ли этот пакет последним в цепочке пакетов.
• Смещение фрагмента — (Fragment Offset) значение, определяющее позицию фрагмента в потоке данных. Смещение задается количеством восьмибайтовых блоков, поэтому это значение требует умножения на 8 для перевода в байты.
• Время жизни (TTL) — поле, определяющее максимальное время, которое пакет может существовать в сети. Значение этого поля (в секундах) устанавливается при отправке пакета и уменьшается на единицу по мере прохождения им маршрутизаторов. При достижении нулевого значения этого поля пакет уничтожается. Максимальное значение поля – 255 секунд. Этот механизм помогает избежать перегрузок сети при возникновении ошибок в таблицах маршруизации, приводящих к образованию петель.
• Протокол — идентификатор интернет-протокола следующего уровня указывает, данные какого протокола содержит пакет, например, TCP, UDP, или ICMP.
• Контрольная сумма заголовка — (Header Checksum) поле содержит значение контрольной суммы, рассчитанной только по заголовку. Поскольку значения некоторых полей заголовка изменяются по мере прохождения пакета по маршруту (поле TTL, например), то значения рассматриваемого поля проверяются и пересчитываются на каждом маршрутизаторе. Этот механизм является единственным средством обеспечения достоверности передачи, содержащимся в протоколе IP.
• Адрес отправителя (Source IP address) и Адрес получателя (Destination IP address) – поля одинаковой длины (32 бита), содержащие соответствующие адреса. Правила адресации в IP-сетях будут рассмотрены далее.
• Опции (Options) – необязательное поле, используемое при отладке сетей и для запроса определенных специфических процедур обработки. В настоящее время используется крайне редко. В связи с разработкой новых протоколов, обеспечивающих большую гибкость в обработке IP-трафика, возможность использования этих полей вновь стала предметом обсуждения комитетов по стандартизации.При получении пакета маршрутизатор вычисляет контрольную сумму заголовка пакета и, если она не совпадает со значением поля «Контрольная сумма», то пакет отбрасывается. При положительном результате проверки, производится изменение некоторых полей и рассчитывается новое значение поля «Контрольная сумма». Затем по таблице маршрутизации определяется адрес следующего маршрутизатора, на который должен быть направлен этот пакет, и он передается на соответствующий интерфейс.

IP (Internet Protocol) — протокол сетевого уровня стека TCP/IP. Протокол был создан в 1981 году и описан в RFC 791. Основной задачей протокола является доставка датаграмм между хостами сетей TCP/IP через произвольное число промежуточных узлов (маршрутизаторов).

Функции, реализуемые IP:

• Основа передачи данных.
• Адресация.
• Маршрутизация.
• Фрагментация датаграмм.

Протокол IP не гарантирует надежной доставки пакета: пакеты могут прийти в неправильном порядке, пакет может быть утерян, пакет может продублироваться или оказаться поврежденным. За надежность доставки пакетов отвечают протоколы транспортного уровня.

На данный момент наиболее распространена четвертая версия протокола (IPv4), однако ведутся активные работы по внедрению более совершенного IPv6.

IPv4

IPv4 (англ. Internet Protocol version 4) — четвёртая версия интернет протокола (IP). Описан в IETF в статье RFC 791 (сентябрь 1981 года). Это один из самых используемых интернет протоколов. Был введен в использование в ARPANET в 1983 году.

Функция протокола — передавать дейтаграммы по множеству соединенных сетей.

Структура пакета

Рассмотрим формат IPv4-дейтаграмм.

Дейтаграмма состоит из заголовка и основной части (данных). Биты передаются слева направо и сверху вниз (big-endian порядок). В настоящее время ясно, что лучше было бы использовать обратный (little-endian) порядок, но во время создания протокола это не было очевидно. Так на Intel x86 требуется программное преобразование, как при передаче, так и при приеме.

Рассмотрим структуру заголовка:

• Версия: 4 бита
  • Поле Версия содержит версию протокола, к которому принадлежит пакет. В случае IPv4 это 4.
• IHL: 4 бита
  • Поле IHL (англ. Internet Header Length) содержит длину заголовка (в нем указано число 32 -разрядных слов). Следовательно, оно указывает на начало данных. Минимальное значение длины равно 5 . Максимальное — 15, что соответствует заголовку длиной 60 байт. Так, максимальный размер необязательного поля равен 40 байтам.
• Дифференциальное обслуживание (Тип службы): 8 битов
  • Изначально это поле называлось Тип службы. По спецификации оно предназначено для различения классов обслуживания. Но поскольку никто не знал, что с ним делать, оно много лет не использовалось. Теперь, когда появилось дифференцированное обслуживание, ему нашли другое применение. Первые 6 бит задают класс обслуживания (DSCP), а в последние 2 помещаются явные уведомления о перегруженности (ECN).
• Полная длина: 16 бит
  • Поле Полная длина содержит длину всей дейтаграммы, включая как заголовок, так и данные. Минимальная длина равна 20 байтам. Максимальное допустимое значение равно 65535 байт. Такие длинные дейтаграммы непрактичны для большинства хостов и сетей. Так, все хосты должны уметь принимать дейтаграммы до 576 байтов. Рекоммендуется отправлять дейтаграммы большего размера, только если есть уверенность, что принимающая сторона сможет их обработать.
• Идентификатор: 16 бит
  • Идентификатор позволяет хосту-получателю определить какому пакеты принадлежат полученные им фрагменты. Все фрагменты одного пакета содержат одно и то же значение идентификатора.
• Флаги: 3 бита
  • Бит 0: зарезервированное значение, должны быть равно 0.
  • Бит 1 (DF): Не фрагментировать (англ. Don’t Fragment). 0 — можно фрагментировать, 1 — нельзя. Также может использоваться при определении путевого значения MTU, которое равно максимальному размеру пакета, передаваемого по пути без фрагментации. Пометив этот бит, отправитель гарантирует, что либо дейтаграмма дойдет единым блоком, либо отправитель получит сообщение об ошибке.
  • Бит 2 (MF): Продолжение следует (англ. More Fragments). 0 — в последнем фрагменте, 1 — в предыдущих.
• Смещение фрагмента: 13 битов
  • Это поле указывает положение фрагмента в исходном пакете. Длина всех фрагментов в байтах должна быть кратна 8 (кроме последнего). Позволяет (2^13−1)×8=65528 байт смещения, что превышает максимальный размер пакета.
• Время жизни: 8 битов
  • Поле Время жизни (TTL, англ. Time To Live) представляет собой счетчик, ограничивающий время жизни пакета. По спецификации он отсчитывает время в секундах, таким образом допуская максимальное время жизни пакета в 255 с. На каждом маршрутизаторе значение должно уменьшаться как минимум на единицу плюс время стояния в очереди. Но на практике этот счетчик считает количество переходов черех маршрутизаторы. Когда значение равно 0, пакет отвергается, а отправителю отсылается сообщение ICMP Time Exceeded. Таким образом удается избежать вечного странствования пакетов.
• Протокол: 8 битов
  • Это поле указывает, какому процес транспортного уровня передать этот пакет, например TCP, UDP, ICMP. Присвоенные номера протоколов можно найти на сайте IANA.
• Контрольная сумма заголовка: 16 бит
  • Это поле хранит контрольную сумму только заголовка. Так как некоторые поля меняются (например, TTL), то оно пересчитывается на каждом транзитивном участке. Используется следующий алгоритм: складываются все 16-разрядные полуслова заголовка в дополнительном коде, преобразуя результат также в дополнительный код. Таким образом проверяемая получателем контрольная сумма заголовка (вместе с этим полем) должна быть равна нулю. Более подробно алгоритм описан в RFC 1071.
• IP-адрес источника: 32 бита.
• IP-адрес получателя: 32 бита.
• Опции: переменная длина
  • В начале поля всегда располагается однобайтный идентификатор. Иногда за ним может располагаться также однобайтное поле длины, а затем один или несколько информационных байтов. Размер этого поля должен быть кратен 4 байтам. Поле опции имеет следующий формат:
    • 1 бит — флаг копирования. Показывает, если опция скопирована во все фрагменты.
    • 2 бита — класс опции. Могут быть следующие классы: 0 — control, 2 — debugging и измерение, 1 и 3 — зарезервированы на будущее.
    • 5 бит — номер опции.
  • Приведем примеры опций:
    • Безопастность — указывет уровень секретности дейтаграммы. Но на практике все его игнорируют.
    • Строгая маршрутизация от источника — задает полный путь следования дейтаграммы.
    • Свободная маршрутизация от источника — задает список маршрутизаторв, которыенельзя миновать.
    • Запомнить маршрут — требует от всех маршрутизаторов добавлять свой IP-адрес.
    • Временной штамп — требует от всех маршрутизаторв добавлять свой IP-адрес и текущее время.
  • Обычно маршрутизаторы либо игнорируют опции, либо обрабатывают неэффективно, отодвигая в стороны как нечто необычное.
• Остаток (Padding): переменная длина
  • Часть из нулей, гарантирующая, что длина заголовка заканчивается на 32 бите.

Пример

IPv4 и его расположение внутри кадра.

IPv6

IPv6 (англ. Internet Protocol version 6) — новая версия интернет протокола (IP), являющаяся результатом развития IPv4. Протокол был создан IETF в 1996 году. Описан в спецификации RFC 2460.

Основной причиной для создания новой версии протокола послужил факт скорого исчерпания пула IPv4 адресов (по разным оценкам последние выделенные IANA адреса будут заняты в период с 2016 по 2020 года).

Основные отличия IPv6 от IPv4:

• В IPv6 заголовок имеет фиксированную длину 40 октетов.
• Поле общей длины заменено полем длины области данных.
• В IPv6 предусмотрена передача пакетов, длины которых превышают 64 кбайт.
• Заголовки надстроек.
• Поле времени жизни заменено полем ограничения количества переходов.
• Многие дополнения IPv4 были оформлены как отдельные протоколы.

Структура пакета

• Весрия (Version)
  • 4 бита. Версия протокола. Для IPv6 — 0110 (6).
• Класс трафика (Traffic class)
  • 8 бит. Хранит два значения: старшие 6 бит используются DSCP для классификации пакетов, младшие 2 используются ECN для контроля перезагрузки.
• Метка потока (Flow Label)
  • 20 бит. Используется для передачи информации маршрутизаторам и коммутаторам о необходимости поддержания одного и того же пути для пути для потока пакетов, чтобы избежать переупорядочивания.
• Длина полезной нагрузки (Payload length)
  • 16 бит. Размер всего пакета, включая заголовок и дополнительные расширения.
• Следующий заголовок (Next header)
  • 8 бит. Тип расширенного заголовка (extension), идущего следующим. В последнем расширенном заголовке это поле хранит тип транспортного протокола.
• Лимит кол-ва переходов (Hop limit)
  • 8 бит. Поле, уменьшаемое на единицу каждым маршрутизатором. Когда поле счетчик равным 0, пакет отбрасывается.
• Адрес отправителя (Source address)
  • 128 бит. IPv6 адрес отправителя.
• Адрес получателя (Destination address)
  • 128 бии. IPv6 адрес получателя.

IP-адрес

IPv4-адрес

IPv4 использует 32-битные адреса, ограничивающие адресное пространство 4 294 967 296 (2³²) возможными уникальными адресами. У каждого хоста и маршрутизатора в Интеренете есть IP-адрес. IP-адрес не имеет отношения к хосту. Он имеет отношение к сетевому интерфейсу, поэтому иногда хост или маршрутизатор могут иметь несколько IP-адресов.

IP-адреса имеют иерархическую организацию. Первая часть имеет переменную длину и задает сеть, а последняя указывает на хост.

Обычно IP-адреса записываются в виде 4 десятичных чисел, каждое в диапозоне от 0 до 255, разделенными точками (dot-decimal notation). Каждая часть представляет один байт адреса. Например, шестнадцатиричный адрес 80D00297 записывается как 128.208.2.151.

Префикс задается наименьшим IP-адресом в блоке и размером блока. Размер определяется числом битов в сетевой части, оставшиеся биты в части хоста могут варьироваться. Таким образом, размер является степенью двойки. Он записывается после префикса IP-адреса в виде слэша и длины сетевой части в битах. В предыдущем примере префикс содержит 2⁸ адресов и поэтому для сетевой части отводится 24 бита. Записывается так: 128.208.2.0/24.

Сетевые адреса, адреса интерфейсов и широковещательные адреса

IP адрес может означать одно из трех:

• Адрес IP сети (группа IP устройств, имеющих доступ к общей среде передаче — например, все устройства в сегменте Ethernet). Сетевой адрес всегда имеет биты интерфейса (хоста) адресного пространства установленными в 0 (если сеть не разбита на подсети);
• Широковещательный адрес IP сети (адрес для ‘разговора’ со всеми устройствами в IP сети). Широковещательные адреса для сети всегда имеют интерфейсные (хостовые) биты адресного пространства установленными в 1 (если сеть не разбита на подсети).
• Адрес интерфейса (например Ethernet-адаптер или PPP интерфейс хоста, маршрутизатора, сервера печать итд). Эти адреса могут иметь любые значения хостовых битов, исключая все нули или все единицы — чтобы не путать с адресами сетей и широковещательными адресами.

IPv6-адрес

Адрес в IPv6 представляется как восемь групп из четырех шестнадцатеричных чисел, разделенных двоеточиями.
При записи адреса используются следующие правила:

• Если одна и более групп, идущих подряд, равны 0000, то они опускаются и заменяются на двойное двоеточие.
• Незначащие старшие нули в группах опускаются.
• Для записи встроенного или отображенного IPv4 адреса последние две группы цифр заменяются на IPv4 адрес.
• При использовании IPv6 адреса в URL он помещается в квадратные скобки.
• Порт в URL пишется после закрывающей квадратной скобки.

Типы IPv6 адресов

• Одноадресный (Unicast) — для отправки пакет на конкретный адрес устройства.
  • Global unicast — глобальные адреса. Могут находиться в любом не занятом диапазоне.
  • Link loсal — локальный адрес канала. Позволяет обменивать данными по одному и тому же каналу (подсети). Пакеты с локальным адресом канала не могут быть отправлены за пределы этого канала.
  • Unique local — уникальный локальные адреса. Используются для локальной адресации в пределах узла или между ограниченным количеством узлов.
• Многоадресный (Multicast) — для отправки пакетов на группу адресов.
  • Assigned — назначенные адреса. Зарезервированные для определённых групп устройств Multicast адреса.
  • Solicited — запрошенные адреса. Остальные адреса, которые устройства могут использовать для прикладных задач.
• Групповой (Anycast) — для отправки пакета на «любой» индивидуальный адрес. Такой адрес может быть назначен нескольким устройствам. Пакет будет доставлен ближайшему устройству с этим адресом.

Фрагментация

Большинство каналов передачи данных устанавливают максимальную длину пакета (MTU). В случае, когда длина пакета превышает это значение, происходит фрагментация.

Маршрутизация

Протокол IP требует, чтобы в маршрутизации участвовали все узлы (компьютеры). Длина маршрута, по которому будет передан пакет, может меняться в зависимости от того, какие узлы будут участвовать в доставке пакета. Каждый узел принимает решение о том, куда ему отправлять пакет на основании таблицы маршрутизации (routing tables).

Маска подсети

Длина префикса не выводится из IP-адреса, поэтому протоколу маршрутизации вынуждены передавать префиксы на маршрутизаторы. Иногда префиксы задаются с помощью указания длины.

То есть маска подсети определяет как будут локально интерпретироваться IP адреса в сегменте IP сети, что для нас весьма важно, поскольку определяет процесс разбивки на подсети.

Стандартная маска подсети — все сетевые биты в адресе установлены в ‘1’ и все хостовые биты установлены в ‘0’.
Выполненение операции И между маской и IP-адресом позволяет выделить сетевую часть.

О маске подсети нужно помнить три вещи:

• Маска подсети предназначена только для локальной интерпретации локальных IP адресов (где локальный значит — в том же сетевом сегменте);
• Маска подсети — не IP адрес — она используется для локальной модификации интерпретации IP адреса.

Бесклассовая междоменная маршрутизация

Изначально использовалась классовая адресация (INET), но со второй половины 90-х годов XX века она была вытеснена бесклассовой адресацией (CIDR), при которой количество адресов в сети определяется маской подсети.

Таблицы маршрутизации со временем сильно растут, и с этим нужно что-то делать. Маршрутизатор может узнавать о расположении IP-адресов по префиксам различной длины. Но вместо того чтобы разделять сеть на подсети, мы объединим несколько коротких префиксов в один длинный. Этот процесс называется агрегацией маршрута (route aggregation). Длинный префикс, полученный в результате, иногда называют суперсетью (supernet), в противоположность подсетям с разделением блоков адресов.

При агрегации IP-адреса содержатся в префиксах различной длины. Один и тот же IP-адрес может рассматриваться одним маршрутизатором как часть блока /22 (содержащего 2¹⁰ адресов), а другим — как часть более крупного блока /20 (содержащего 2¹² адресов). Это зависит от того, какой информацией обладает маршрутизатор. Такой метод называется CIDR (Classless InterDomain Routing — бесклассовая междоменная маршрутизация).

Также префиксы могут пересекаться. Согласно правилу, пакеты передаются в направлении самого специализированного блока, или самого длинного совпадающего префикса (longest matching prefix), в котором находится меньше всего IP-адресов.

По сути CIDR работает так:

• Когда прибывает пакет, необходимо определить, относится ли данный адрес к данному префиксу; для этого просматривается таблица маршрутизации. Может оказаться, что по значению подойдет несколько записей. В этом случае используется самый длинный префикс. То есть если найдено совпадение для маски /20 и /24, то для выбора исходящей линии будет использоваться запись, соответствующая /24.
• Однако этот процесс был бы трудоемким, если бы таблица маршрутизации просматривалась запись за записью. Вместо этого был разработан сложный алгоритм для ускорения процесса поиска адреса в таблице (Ruiz-Sanchez и др., 2001).
• В маршрутизаторах, предполагающих коммерческое использование, применяются специальные чипы VLSI, в которые данные алгоритмы встроены аппаратно.

Классы IP-сетей

Раньше использовали классовую адресацию.

Сколько бит используется сетевым ID и сколько бит доступно для идентификации хостов (интерфейсов) в этой сети, определяется сетевыми классами.

Всего 5 классов IP-адресов: A, B, C, D, E.

Их структура и диапазоны указаны на рисунке.

Существует также специальные адреса, которые зарезервированы для ‘несвязанных’ сетей — это сети, которые используют IP, но не подключены к Internet. Вот эти адреса:

• Одна сеть класса A: 10.0.0.0
• 16 сетей класса B: 172.16.0.0 — 172.31.0.0
• 256 сетей класса С: 192.168.0.0 — 192.168.255.0

Стандартные маски подсети для трех классов сетей:

• A класс — маска подсети: 255.0.0.0
• B класс — маска подсети: 255.255.0.0
• C класс — маска подсети: 255.255.255.0

Полезные ссылки

• Information Sciences Institute, University of Southern California (September 1981). «RFC 791». Internet Engineering Task Force. Retrieved July 12, 2016.
• IP Sub-networking Mini-Howto
• Таненбаум Э, Уэзеролл Д. Компьютерные сети. — Питер, 2012. — 960 с
• Wiki
• IP-адресация
• Data Communication Lectures of Manfred Lindner – Part IP Technology Fundamentals
• Data Communication Lectures of Manfred Lindner – Part IP Routing Fundamentals