IP – ВВОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Технологии Network и Ethernet

В самом общем случае, сети связи могут быть разделены на два основных типа: с коммутацией каналов (или с установлением соединения) и с коммутацией пакетов (или без установления соединения). Телефонная система - пример сети с коммутацией каналов.
Когда Вы осуществляете телефонный вызов, между Вами и человеком, которого Вы вызывали, устанавливается выделенное соединение (или канал связи). Наличие канала связи и качество обслуживания гарантируются на протяжении всего вызова.
Основное преимущество коммутации каналов – гарантированное наличие канала после установления соединения. Один из недостатков коммутации каналов - структура издержек : стоимость основана на времени соединения, и не зависит от степени использования пропускной способности канала.
С другой стороны, сети с коммутацией пакетов осуществляют передачу информации без установления соединения. В сети с коммутацией пакетов, данные, которые будут переданы по сети, разделены на пакеты данных. Пакет переносит специальную информацию в заголовке, который позволяет сетевым аппаратным средствам определить, как отправить этот пакет в указанное место назначения. Поскольку сетевые ресурсы требуются только тогда, когда есть данные, для передачи, то тот же самый сетевой ресурс по пропускной способности может быть совместно использован для осуществления многих связей одновременно. Это приводит к более эффективному использованию пропускной способности и поэтому более низкой удельной стоимости передачи единицы информации.
Поскольку сетевой ресурс используется совместно многими пользователями, сеть может стать перегруженной, прохождение информации задерживаться и пакеты могут вообще отбрасываться. Это основной недостаток коммутации пакетов: пропускная способность сети не гарантируется.
Интернет - пример сети с коммутацией пакетов. Данная технология первоначально разрабатывалась, чтобы транспортировать только данные. Однако, благодаря усовершенствованиям сетевых технологий, стала очень распространенной потоковая передача аудио в реальном времени и потоковая передача видео по Интернету.
Сети с коммутацией пакетов по принципу географического расстояния могут быть подразделены и на два типа:
Локальная сеть (LAN) и глобальная сеть (WAN). LAN покрывает небольшой географический район или территорию, такую как дом, единственное здание, группу зданий, или небольшой университетский городок. Большинство LAN соединяет в себе персональные компьютеры (PC) и серверы.
Поскольку расстояние короткое, LAN может работать на сверхвысокой скорости и с малыми задержками.
WAN покрывает относительно крупный географический район, такой как город, область, или даже страна. WAN используются для того, чтобы соединить LAN вместе на больших расстояниях. По сравнению с LAN, WAN работают на меньших скоростях и имеют намного большие задержки передачи пакетов.

Технология Ethernet

Ethernet - самая популярная технология для взаимосвязанных устройств LAN. Стандартизированная, как IEEE 802.3, она объединяет много стандартов проводных соединений, сигнальных стандартов на физическом уровне, средств доступа к сети на канальном уровне, и общем формате адресации. Устройства Ethernet могут работать с различными типами физических каналов, таких как витая пара, коаксиальный кабель, волоконная оптика.
Обычно используется три скорости передачи данных для работы по кабелям витых пар:

• 10 Мбит/с (Мегабит в секунду): определенный в стандарте 10BASE-T
• 100 Мбит/с: определенный в стандарте 100BASE-TX, как Fast Ethernet
• 1000 Мбит/с: определенный в стандарте 1000BASE-T, как Gigabit Ethernet

Каждому устройству Ethernet (или приемопередатчику) присвоен уникальный 48-разрядный адрес, известный как его Ethernet-адрес (или MAC адрес). Адрес обычно пишется в шестнадцатеричной форме, например, 00A0C9357F1D. Ethernet-адресами управляет IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике — IEEE (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers). Компании, которые производят устройства Ethernet, должны купить блоки Ethernet-адресов и присвоить их в последовательности к их устройствам Ethernet. Ethernet-адрес постоянно связан с устройством и не должен меняться программным обеспечением. В дополнение к уникальным адресам, присвоенным устройствам Ethernet, в каждой подсети есть адреса, зарезервированные для многоадресной передачи и один адрес, зарезервированный для широковещательной передачи.
Технология Ethernet была первоначально разработана для использования с совместно используемым носителем (коаксиальный кабель), с шинной топологией, где все устройства Ethernet в сети были присоединены к общему кабелю. Схема называлась "множественный доступ с контролем несущей" с обнаружением коллизий (CSMA/CD - "carrier sense multiple access" with collision detection), использовалась для того, чтобы избежать коллизии двух устройств, передающих одновременно. Однако, это ограничивало скорость передачи, поскольку она могла происходить только в одном направлении, в любой момент времени (полудуплексно). По мере развития технологии Ethernet, были разработаны концентраторы Ethernet для соединения большого количества устройств Ethernet в единый сегмент.
Концентратор (хаб) Ethernet - довольно простое устройство с несколькими портами. Когда хаб получает сигнал (или пакет) от одного порта, то просто передает сигнал на все остальные свои порты. Хаб не анализирует трафик, проходящий через него. С хабами все устройства Ethernet должны работать в полудуплексном режиме, потому что коллизия все еще могла произойти (когда два устройства пытаются передавать одновременно). Чтобы устранить проблему сигнальной коллизии и учесть полнодуплексные операции, создавались более сложные Ethernet-коммутаторы.
Ethernet-коммутатор (свич) – более интеллектуальное сетевое устройство с несколькими портами. У каждого порта в коммутаторе есть свой собственный изолированный домен коллизий. Поэтому, Ethernet устройство, соединенное с портом коммутатора, может работать в полнодуплексном режиме, так как его линк (линия, соединение) к порту коммутатора – это магистральная линия без других устройств. Ethernet-коммутатор анализирует все пакеты, приходящие на его порты, и решает, куда их передать. Каждый пакет Ethernet содержит исходный Ethernet-адрес и Ethernet-адрес назначения. Наблюдая исходные Ethernet-адреса, в получаемых пакетах на входе своих портов, коммутатор может определить Ethernet-адрес устройства, соединенного с каждым из его портов. Когда коммутатор получает Ethernet пакет, он сравнивает адрес назначения в пакете со списком адресов устройств, подключенных к его портам. Если соответствие будет найдено, то коммутатор передаст пакет только порту с соответствующим Ethernet-адресом.
Если соответствия не найдено, то коммутатор передаст пакет каждому порту, кроме порта ввода. Благодаря интеллектуальной пакетной передаче и полнодуплексной передаче, коммутатор обеспечивает намного лучшую производительность, чем хаб.
На сегодня, коммутаторы практически полностью заменили хабы в качестве основного сетевого оборудования для взаимосвязанных устройств Ethernet. Из-за широкого использования коммутаторов, современный Ethernet очень отличается от раннего Ethernet. Технология Ethernet развилась от полудуплексного "совместно используемого Ethernet" к полнодуплексному "коммутируемому Ethernet".
Несмотря на то, что Ethernet устройства могут работать на различных скоростях и различных дуплексных режимах, два устройства Ethernet (включая порты коммутатора), соединенные одним линком, должны быть сконфигурированы так, чтобы работать на той же самой скорости и в том же самом дуплексном режиме. Автосогласование это процедура, при помощи которой два соединенных Ethernet устройства взаимоопределяют свои возможности и выбирают лучшую скорость и дуплексный режим, который оба могут поддерживать. С автосогласованием Ethernet устройства могут сконфигурировать себя так, чтобы использовать общие параметры передачи. Однако не все Ethernet устройства поддерживают автосогласование. Иногда, по причинам ограниченной производительности, автосогласование отключено производителем или пользователем. Когда Ethernet устройство способное к автосогласованию соединено с устройством, которое этот режим не поддерживает или, чья возможность автосогласования отключена, устройство, способное к автосогласованию, может определить скорость устройства как "не автоматическое согласование" и подстроиться. И поскольку соединенные устройства работают с одинаковой скоростью и с тем же самым дуплексным режимом, канал будет работать устойчиво.
Однако, когда одно устройство будет работать в полнодуплексном режиме, в то время как другое устройство работает в полудуплексном, пропускная способность канала упадет до намного более медленного уровня, по сравнению с пропускной способностью канала. Эту ситуацию называют "дуплексным несоответствием", которого следует по возможности избегать.
Поэтому, при соединении устройства Ethernet с коммутатором, пользователь должен знать о возможностях автосогласования Ethernet устройства и используемого коммутатора. Если устройство Ethernet не поддерживает автосогласование, или его возможность автосогласования отключена, пользователь должен использовать "управляемый коммутатор", который позволяет пользователю конфигурировать его параметры порта, такие как скорость и дуплексный режим, чтобы вручную настроить параметры, используемые соединенными Ethernet устройствами.

IP-адрес и подсети

IP-адрес (или Интернет-адрес) является 32-разрядным числом, используемым, чтобы идентифицировать узел в сети IP. Это обычно выражается как четыре числа, разделенные периодами, такими как A.B.C.D, где A, B, C, и D - десятичные числа между 0 и 255. Например, IP-адрес 192.168.0.10.
В пределах изолированной частной сети пользователь может произвольно присвоить IP-адреса узлам в сети, с любыми адресами до тех пор, пока каждый адрес уникален.
Однако когда частная сеть соединена с Интернетом (общедоступная сеть), пользователь должен использовать зарегистрированные IP-адреса для всей внешней связи, чтобы избежать дублирования адреса.
У IP-адреса есть две части: сетевая часть (или префикс), который идентифицирует определенную сеть, и локальную часть, которая идентифицирует определенный узел в пределах сети. Разделение между сетевой частью и локальной частью произвольно (в зависимости от размера сети и присвоения). Всем узлам в пределах сети должны быть присвоены IP-адреса с той же самой сетевой частью. Сеть может быть далее разделена на несколько подсетей из соображений упрощения администрирования, разделения физических сетей, или управления сетевым трафиком. Например - сеть с 150 узлами может быть разделена на три подсети, то есть в каждой подсети по 50 узлов.
Одна очевидная причина деления сети состоит в том, что Сеть Ethernet с 50 узлами будет намного менее загружена, чем с 150 узлами. В сети с подсетями, локальная часть IP-адреса может быть представлена как наличие двух частей: адрес подсети, которая идентифицирует определенную подсеть в пределах сети, и адрес, относящийся к хосту, который идентифицирует определенный узел в пределах подсети. В этом случае также разделение между частью подсети и частью, относящейся к хосту произвольно (в зависимости от размера подсети и присвоения). Всем узлам в пределах подсети должны быть присвоены IP-адреса с той же самой сетевой частью и той же самой частью подсети.
Например, у сети с 16-разрядным префиксным адресом 128.10.0.0 может быть две подсети такие как 128.10.1.0 и 128.10.2.0, где часть подсети шириной 8 битов. В пределах подсети 128.10.1.0, у узла может быть IP-адрес такой как 128.10.1.1 или 128.10.1.2. Подсеть идентифицирована ее адресом (комбинация сетевой части и части подсети) и маской подсети. Маска подсети - 32-разрядное двоичное число, используемое, чтобы замаскировать IP-адрес (выполняя поразрядную операцию И), чтобы генерировать адрес подсети.
Обычно, маска подсети выражена в форме IP-адреса. Например, маска подсети 255.255.255.0 и IP-адрес 128.10.1.1 узла определяют, что адрес подсети 128.10.1.0 (с 24 рабочими битами). Subnets соединен шлюзами (маршрутизаторы). Чтобы отправить IP пакет от одного узла к другому в пределах той же подсети, пакет передается (физической сетью, такой как Ethernet) непосредственно к конечному хосту, не проходя через шлюз подсети. Однако, чтобы отправить пакет IP от одного узла в одной подсети к другому узлу в другой подсети или сети, пакет должен сначала быть доставлен шлюзу подсети. В этом случае шлюз передает пакет к конечному хосту или другому шлюзу, который продолжает направлять пакет к конечному хосту. Как узел узнает, что пакет IP должен быть отправлен его шлюзу подсети, вместо другого узла в пределах той же самой подсети? Ответ прост - по справке маски подсети.
Когда IP пакет готов для передачи, узел выполняет поразрядную операцию И, используя его маску подсети и целевой IP-адрес пакета. Если результат соответствует своему адресу подсети (поразрядное И его маски подсети и ее IP-адреса), конечный хост находится в пределах той же самой подсети, и пакет должен быть отправлен непосредственно конечному хосту.
Если результат не соответствует своему адресу подсети, конечный хост находится за пределами своей подсети, то пакет должен быть отправлен шлюзу подсети. Подсети невидимы вне своих сетей; они только известны в пределах их IP-адресов сетей. По типу адресации сети могут быть разделены на следующие три типа, основанные на адресации контекста:

Одноадресная передача (Unicast)

Это - наиболее распространенный тип. Одноадресный IP-адрес присвоен отдельному узлу (включая шлюзы и маршрутизаторы).
Когда целевой IP-адрес IP пакета - индивидуальный адрес, пакет передается только узлу, которому принадлежит целевой IP-адрес.

Многоадресная передача (Multicast)

Многоадресный IP-адрес связан с группой заинтересованных узлов. IP-адреса от 224.0.0.0 до 239.255.255.255 выделены, как групповые адреса. Когда узел отправляет пакет групповому IP адресу, он только отсылает одну копию в сеть. Сеть сделает копии и отправит одну копию каждому заинтересованному узлу.
Чтобы обратиться к определенному групповому адресу, узел должен подключиться к этому групповому адресу (отправляя IGMP сообщение для запроса о присоединении к группе и получении группового трафика). Multicast облегчает для узла отправителя доставку одинаковых пакетов многим заинтересованным узлам.

Широковещательная передача (Broadcast)

Широковещательный IP-адрес позволяет узлу отправлять пакеты IP всем узлам в сети или подсети. Есть два типа широковещательной передачи: направленная широковещательная передача (directed broadcast) и ограниченная широковещательная передача (limited broadcast). При направленной широковещательной передаче всем узлам в сети передается широковещательный IP-адрес с локальной частью, равной 1. Точно так же, в направленной широковещательной передаче всем узлам в подсети передается широковещательный IP-адрес с частью, относящейся к узлу 1. Специальный IP-адрес 255.255.255.255 используется при ограниченной широковещательной передаче всем узлам в подсети (или сеть без подсети). Когда узел не знает своего IP-адреса и адреса подсети при запуске, то он использует ограниченную широковещательную передачу, чтобы запросить и изучить его сетевые параметры.
Есть некоторые IP-адреса, зарезервированные для особых целей. IP-адрес 127.0.0.1 определяется как петлевой адрес (циклы назад к себе). Когда узел отправит пакет IP 127.0.0.1, пакет будет циклично отправлен назад стеком IP без того, чтобы быть отосланным. Этот петлевой адрес, главным образом, используется для того, чтобы только протестировать. IP-адреса в следующих трех диапазонах определяются как частные адреса. Они могут использоваться только в частных сетях сети и не являются маршрутизируемыми.

   10.0.0.0 к 10.255.255.255
   172.16.0.0 к 172.31.255.255
   192.168.0.0 к 192.168.255.255

IP-адрес узла может быть сконфигурирован статически или динамически, присвоен при запуске (сервером DHCP). Использование статически сконфигурированных IP-адресов это наиболее простой способ построить небольшую сеть.