Адресное пространство с иерархической структурой

Примером иерархических адресов служат сетевые IP-адреса, которые использует при своей работе протокол IP стека TCP/IP. Поскольку протокол IP относится к сетевому уровню, то и IP-адреса часто называют сетевыми адресами.

IP-адрес представляет собой двоичное число, имеющее длину 32 бита. Для удобства чтения и записи адреса он обычно представляется в виде четырех разделенных точками десятичных чисел, например 193.226.17.137 или 127.0.0.1. При этом каждое из четырех десятичных чисел соответствует числу, которое можно записать в двоичной системе счисления, используя восемь бит.

В этом случае максимальным окажется число, состоящее из восьми двоичных единиц: 11111111, что при пересчете в десятич­ную систему счисления будет равно 255. Таким образом, каждое из четырех чисел IP-адреса при десятичном представлении не может быть больше 255.

При адресации, имеющей иерархическую структуру, адресное пространство состоит из вложенных друг в друга подгрупп адре­сов, последовательно уточняющих конечного адресата. Такая организация адресного пространства зачастую позволяет экономить время поиска того или иного адресата, а также средства для хранения всей адресной информации потому, что иерар­хическая структура позволяет хранить только ту часть адреса, которая соответствует уровню иерархии, на котором находится компьютер. IP-адреса являются иерархическими, так как состоят из двухчастей, первая из которых идентифицирует номер сети, в которой находится некий узел, а вторая часть — непосредственно сам узел.

Таблица. Классы IP-адресов

Адрес сети может быть выбран администратором произвольно, однако если сеть должна работать как составная часть Интернета, то адрес сети должен быть назначен централизованно некоммерческой организацией регистрации глобальных адресов в Интернете (Internet Corporation for Assigned Names and Num­bers - ICANN).

Например, провайдеры услуг Интернет для подключения к сети своих абонентов получают диапазоны адресов у подразде­лений ICANN.

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 произвольно. При этом IP-адрес идентифицирует не от­дельный узел сети, а отдельный сетевой интерфейс; поскольку любой узел может одновременно входить в несколько сетей, то в этом случае он должен иметь несколько IP-адресов, по числу се­тевых связей.

Существует пять классов IP-адресов, различающихся количе­ством бит, отведенных под идентификацию номера сети и номера узла. Определить, к какому классу относится IP-адрес, можно по значению первого байта адреса. Обычно сеть, имею­щую адреса какого-либо класса, называют сетью этого же класса, т. е., например, сеть с IP-адресами класса В можно назвать сетью класса В.

Адреса класса А предназначены для использования в крупных сетях масштаба региона или страны, число таких сетей сильно ог­раничено. Сети класса В имеют средние размеры и обычно ис­пользуются в университетах и крупных компаниях. Адреса класса С используются в малых сетях, имеющих небольшое количество узлов. IP-адреса класса D используют для обращения к группам компьютеров. Адреса класса Е зарезервированы для будущего ис­пользования.

Кроме того, существует набор специально зарезервированных IP-адресов:

• адрес состоит только из двоичных нулей — обозначает тот же самый узел сети, который сгенерировал пакет, содержа­щий такой IP-адрес;

• адрес типа «Номер сети. Все нули» обозначает данную сеть, т. е. ту же сеть, в которой находится компьютер, сгенериро­вавший пакет с этим адресом;

• адрес типа «Все нули. Номер узла» обозначает узел, принад­лежащий той же сети, что и узел, сгенерировавший пакет;

• адрес состоит только из двоичных единиц — обозначает, что пакет с таким адресом предназначен всем узлам той же сети, что и источник пакета (при этом такой пакет не выйдет за пределы данной сети, поэтому такая рассылка называется ограниченным широковещанием);

• 127.0.0.1 — пакет с таким адресом не передается в сеть, а возвращается верхним уровням стека протоколов, как только что принятый; IP-адреса, первый байт которых име­ет значение, равное 127, используются для тестирования программного обеспечения и взаимодействия сетевых про­цессов в пределах отдельного узла.

Разбиение IP-адресов на классы приводит к достаточно жест­кой и не всегда рациональной системе адресации.

Использование масок IP-адресов позволяет сделать систему адресации более гибкой за счет возможности разбивать одну сеть на несколько подсетей, разделяя адресное пространство на непе­ресекающиеся друг с другом диапазоны.

Для этого используется маска, которой «маскируется» часть IP-адреса, используемая для получения номера подсети. Там, где значение бита маски равно единице, адресация узлов запрещена, там, где значение равно нулю, — разрешена. Причем «маскиров­ка» происходит от старшего бита к младшему.

Для сетей, имеющих адреса класса А, маска будет иметь вид: 255.0.0.0. При этом первые 8 бит маски соответствуют номеру се­ти. Поскольку использование этих битов при адресации естест­венно невозможно, их значения равны единицам. Для сетей клас­са В маска будет иметь вид: 255.255.0.0, а для сетей класса С — 255.255.255.0.частей, первая из которых идентифицирует номер сети, в которой находится некий узел, а вторая часть — непосредственно сам узел.

Адрес сети может быть выбран администратором произвольно, однако если сеть должна работать как составная часть Интернета, то адрес сети должен быть назначен централизованно.

Таблица. Разбиение сети класса С на подсети

При разбиении сети на подсети с помощью маски происходит установка значений, равных единице, для битов, равных нулю. Причем такая установка производится слева направо, т. е. от старшего бита к младшему, поэтому, по сути, происходит деление адресного пространства сети пополам.

Например, если для наглядности записать маску се­ти класса С в шестнадцатеричном виде, получится FFFFFF00. Ес­ли значение первого слева бита, равного нулю, установить равным единице, то получится маска FFFFFF80, которая позволяет выде­лить сеть на 128 IP-адресов. Следующая подсеть будет определять­ся маской FFFFFFC0 или в десятичном виде 255.255.255.192. Такая подсеть имеет всего 64 IP-адреса.

Таким образом, при разбиении сети на подсети нельзя выде­лить в одну логическую сеть более половины исходной сети.

Для возможности обмениваться информацией по сети каждо­му сетевому интерфейсу узла необходим свой IP-адрес. Назначе­ние IP-адресов интерфейсам может производиться как вручную, так и автоматически.

Ручное назначение адресов обычно производится в процессе настройки конфигурации работы сетевого интерфейса, при этом новые назначаемые адреса не должны повторять уже используе­мые IP-адреса в сети. Естественно, что при больших размерах се­тей такая настройка начинает вызывать ряд проблем. Автоматическое назначение IP-адресов упрощает процесс определения адресов для каждого сетевого интерфейса и освобо­ждает администратора, занимающегося настройкой сетевого взаимодействия, от рутинной работы.