Протокол IP

Протокол IP
Сети и системы
телекоммуникаций
Созыкин А.В.
План
Место протокола IP в моделях OSI и
TCP/IP
 Сервисы IP
 Формат IP-пакета
 Маршрутизация

ИМКН УрФУ
2
Internet Protocol

IP (Internet Protocol) – межсетевой
протокол
– объединенная сеть / subnet подсеть
 internetworking – объединение сетей
 Internet – название самой крупной
объединенной сети
 internet

Основа сети Интернет
ИМКН УрФУ
3
Место в моделях OSI и TCP/IP
Модель OSI
Модель TCP/IP
Прикладной
Представления
Прикладной
Сеансовый
Транспортный
Транспортный
Сетевой
Сетевой
Канальный
Сетевых
интерфейсов
Физический
ИМКН УрФУ
4
Сетевой уровень в TCP/IP
Прикладной
Транспортный
HTTP
SMTP
TCP
Сетевой
Ethernet
FTP
UDP
IP
ARP
Сетевых
интерфейсов
DNS
ICMP
DHCP
WiFi
ИМКН УрФУ
DSL
5
Сервисы IP

Передача без установления соединения
 Нет
гарантии доставки
 Произвольный порядок доставки

Задачи IP
 Маршрутизация
 Объединение
сетей
 Качество обслуживания
ИМКН УрФУ
6
Формат пакета
Зачем изучать формат пакета?
 В заголовке пакета отражается
большинство функций протокола

ИМКН УрФУ
7
Формат кадра Ethernet

Посмотрите на формат кадра Ethernet
6 байт
6 байт
MAC-адрес
получателя
MAC-адрес
отправителя
2 байта
Тип
Заголовок

46-1500 байт
4 байта
Данные
Контрольная
сумма
Концевик
Какие функции предоставляет Ethernet?
ИМКН УрФУ
8
Формат кадра Ethernet

Доставка на канальном уровне
 MAC-адреса

получателя и отправителя
Мультиплексирование
 Поле
«Тип» – протокол вышестоящего
уровня

Проверка правильности передачи
 Поле
«Контрольная сумма»
ИМКН УрФУ
9
Заголовок IP-пакета
4 бита
4 бита
Номер
Длина
версии заголовка
8 бит
Тип
сервиса
16 бит
Общая длина
16 бит
Идентификатор пакета
8 бит
Время жизни
3 бита
Флаги
8 бит
Тип протокола
13 бит
Смещение фрагмента
16 бит
Контрольная сумма
32 бита
IP-адрес отправителя
32 бита
IP-адрес получателя
Опции и выравнивание
(не обязательно)
ИМКН УрФУ
10
Версия протокола IP


Существует две версии IP: 4 и 6
IPv4 (RFC 791)
 Длина
IP-адреса 4 байта
 Нехватка IP-адресов
 Используется сейчас

IPv6 (RFC 2460)
 Длина
IP-адреса 16 байт
 Вводится в эксплуатацию
ИМКН УрФУ
11
Длина заголовка

В IP длина заголовка не фиксирована:
 Дополнительные
опции
 Служебная информация
 Заполнитель


Поле «Длина заголовка» измеряется в 32битных словах
Длина:
 Минимальная
20 байт (5 32-битных слов)
 Максимальная 60 байт (15 32-битных слов)
ИМКН УрФУ
12
Общая длина
Общая длина – длина пакета, включая
заголовок и данные
 Измеряется в байтах
 Максимальное значение – 65535 байт
 На практике длина выбирается с учетом
MTU канального уровня

 1500
байт для Ethernet
ИМКН УрФУ
13
Фрагментация
При передаче по сетям с разным MTU
IP-пакет может быть разбит на части
 Поля в заголовке IP, отвечающие за
фрагментацию:

 Идентификатор
пакета
 Флаги
 Смещение
фрагмента
ИМКН УрФУ
14
Фрагментация. Флаги

Поле флаги состоит из тех бит:
 Первый
бит зарезервирован и не
используется
 DF (Do not Fragment) – не
фрагментировать
 MF (More Fragments) – есть еще
фрагменты
ИМКН УрФУ
15
Фрагментация

Идентификатор пакета:
 Уникальный
номер пакета, разбитого на части
(фрагментированного)
 Все фрагменты пакета должны иметь одинаковый
идентификатор

Получатель может принимать фрагменты
разных пакетов
 Задержки в передаче
 Разные маршруты
 Отброшенные
пакеты
ИМКН УрФУ
16
Смещение фрагмента
Используется для сборки
фрагментированных пакетов
 Фрагменты пакета могут прийти в
неправильном порядке
 Содержит смещение поля данных
относительно нефрагментированного
пакета

ИМКН УрФУ
17
Схема дефрагментации




Получатель принимает пакет и видит, что
установлен флаг MF
Получатель запоминает идентификатор
пакета и записывает в буфер все пакеты с
этим идентификатором
Приходит пакет со сброшенным флагом MF –
признак завершения передачи
Получатель собирает пакет из фрагментов на
основе поля «Смещение»
ИМКН УрФУ
18
Время жизни



Время жизни (TTL, Time To Live) –
максимальное время, в течение которого
пакет может перемещаться по сети
Нужно для предотвращения «бесконечного»
продвижения пакетов
Единицы измерения:
 Секунды
 Прохождение
через маршрутизатор (hop)
ИМКН УрФУ
19
Тип протокола
Предназначено для реализации
функции мультиплексирования/
демультиплексирования
 Код протокола, данные которого
передаются (RFC 1700):

–6
 UDP – 17
 ICMP – 1
 TCP
ИМКН УрФУ
20
Контрольная сумма заголовка



Контрольная сумма, рассчитывается по
заголовку
Проверяется и пересчитывается на каждом
промежуточном маршрутизаторе
При ошибке в контрольной сумме пакет
отбрасывается
 Нет
оповещения отправителя об ошибке
 Нет запросов на повторную передачу
ИМКН УрФУ
21
Поле «Тип сервиса»
Назначение – обеспечение качества
обслуживания
 Два формата:

 Тип
сервиса (старый)
 Дифференцированное обслуживание
(используется сейчас)
ИМКН УрФУ
22
Тип сервиса


Используется 6 из 8 бит
PR (3 бита) – приоритет пакета:
PR
D T
R
– самый низкий
 7 – самый высокий
0

Критерий выбора маршрута:
(Delay) – минимизация задержек
 T (Throughput) – максимизация пропускной
способности
 R (Reliability) – максимизация надежности
D
ИМКН УрФУ
23
Дифференцированное
обслуживание



Поле «Тип сервиса» было придумано на
ранней стадии развития Интернет
Оказалось, что качество обслуживания на
основе поля «Тип сервиса» обеспечить
сложно
С ростом и увеличением популярности
Интернет появились практические подходы:
 Интегрированное
обслуживание
 Дифференцированное обслуживание
ИМКН УрФУ
24
Дифференцированное
обслуживание
Логический канал для срочных пакетов
Логический канал для обычных пакетов
Физическая линия связи
ИМКН УрФУ
25
Дифференцированное
обслуживание

Дифференцированное обслуживание
вытеснило традиционное представление
поля «Тип сервиса»
 RFC

2474
Простота реализации:
 Выполняется
отдельно на каждом маршрутизаторе
(Per-Hop Behavior)
 Нет необходимости знать топологию сети и
требования приложений
ИМКН УрФУ
26
Дифференцированное
обслуживание
Класс
Используется 6 из 8 бит
 3 бита – класс обслуживания
 2 бита – варианты обслуживания пакета
внутри класса
 1 бит – флаг индикатор «выхода»
пакета из профиля класса
 По умолчанию все 0 для совместимости

ИМКН УрФУ
27
Опции заголовка IP-пакета
Заголовок IP-пакета может включать
дополнительные поля
 Примеры опций:

 Записать
маршрут
 Маршрут отправителя
Жесткая маршрутизация
 Свободная маршрутизация

 Временные
метки
ИМКН УрФУ
28
Заполнение
Опции могут иметь разный размер
 Длина заголовка IP-пакета должна быть
кратна 32 битам
 Для выравнивания до 32 бит поле
опций дополняется нулями

ИМКН УрФУ
29
Заголовок IP-пакета
4 бита
4 бита
Номер
Длина
версии заголовка
8 бит
Тип
сервиса
16 бит
Общая длина
16 бит
Идентификатор пакета
8 бит
Время жизни
3 бита
Флаги
8 бит
Тип протокола
13 бит
Смещение фрагмента
16 бит
Контрольная сумма
32 бита
IP-адрес отправителя
32 бита
IP-адрес получателя
Опции и выравнивание
(не обязательно)
ИМКН УрФУ
30
Маршрутизация
Сеть 1
IP31
Маршрутизатор 3
IP11
Маршрутизатор 1
IP33
IP12
Маршрутизатор 2 IP
22
IP23
Сеть 3
IP42
Маршрутизатор 4
IP34
Сеть 4
Сеть 2
IP45
IP54
Маршрутизатор 5
ИМКН УрФУ
IP55
Сеть 5
31
Маршрутизатор

Устройство для объединения сетей
 Специализированный
 Обычный


аппаратный маршрутизатор
компьютер
Должен стоять на каждой границе
объединения сетей
Имеет IP-адрес в каждой сети, к которой
подключен
 Коммутаторы
заметны
не имеют адресов и в сети не
ИМКН УрФУ
32
Таблица маршрутизации
…
Адрес
Маска
Шлюз
Интерфейс
Метрика
172.19.0.1
255.255.255.255
Подсоединен
172.19.0.1
276
172.19.0.0
255.255.0.0
Подсоединен
172.19.0.1
276
172.20.0.1
255.255.255.255
Подсоединен
172.20.0.1
276
172.20.0.0
255.255.255.255
Подсоединен
172.20.0.1
276
172.16.0.0
255.255.0.0
192.19.132.6
172.19.0.1
306
172.18.0.0
255.255.0.0
192.20.11.3
172.20.0.1
306
172.17.0.0
255.255.0.0
192.19.168.56
172.19.0.1
306
172.19.0.
0/16
Маршрутизатор
172.19.0.1
172.20.0.1
ИМКН УрФУ
172.20.0.
0/16
…
33
Таблица маршрутизации



Адрес – адрес сети или хоста
Маска – маска сети или хоста
Шлюз:
 Адрес
маршрутизатора, через который можно
попасть к сети/хосту
 Подсоединен – сети или хост подключены к порту
маршрутизатора

Интерфейс – номер интерфейса или IPадрес, через который доступна сеть
ИМКН УрФУ
34
Метрика

Одна сеть может быть доступна через
несколько маршрутов
 Надежность



Если есть несколько маршрутов, какой
выбрать?
Метрика - расстояние до сети в условных
единицах
Выбирается маршрут с меньшей метрикой
ИМКН УрФУ
35
Метрика



Измеряется в условных единицах
Старый подход – количество
маршрутизаторов между сетями
Новый подход – условные единицы с учетом:
 Количества
маршрутизаторов
 Пропускной способности каналов
 Загрузки каналов
 И других параметров
ИМКН УрФУ
36
Записи в таблице
маршрутизации

Статические
 Конфигурация
интерфейсов
 Вручную прописанные маршруты к сетям

Динамические
 Конфигурируются
автоматически
 Протоколы маршрутизации RIP, OSPF, BGP
и др.
ИМКН УрФУ
37
Маршрут по умолчанию

Маршрутизатор должен знать обо всех
существующих сетях
 На


практике невозможно
Маршрутизатор по умолчанию (шлюз, default
router, gateway) – маршрутизатор, на который
отправляются пакеты для неизвестных сетей
Условное обозначение:
 0.0.0.0,
макса 0.0.0.0
 default
ИМКН УрФУ
38
Поиск маршрута в таблице
маршрутизации

Поиск маршрута к хосту
 Пакет

Поиск маршрута к сети
 Пакет

отправляется к хосту
отправляется в сеть
Поиск маршрута по умолчанию
 Пакет
отправляется на маршрутизатор по
умолчанию

Если маршрут не найден, пакет
отбрасывается
ИМКН УрФУ
39
Передача пакета

Присоединенная сеть:
 Пакет

передается напрямую хосту
Удаленная сеть
 Пакет
передается на маршрутизатор,
который является шлюзом для этой сети
ИМКН УрФУ
40
Таблица маршрутизации на
хостах


Таблица маршрутизации есть не только у
маршрутизаторов, но и у всех хостов в сети
Содержание таблицы маршрутизации хоста:
 Присоединенная
сеть
 Маршрутизатор по умолчанию
 (Не обязательно) маршруты к знакомым сетям
ИМКН УрФУ
41
Итоги
Место протокола IP в моделях OSI и
TCP/IP
 Сервисы IP
 Формат IP-пакета
 Маршрутизация

ИМКН УрФУ
42
Вопросы?
ИМКН УрФУ
43