Что обеспечивает ИП протокол

Основу транспортных средств стека протоколов TCP/IP составляет протокол меж­сетевого взаимодействия (Internet Protocol, IP). Он обеспечивает передачу дейта­грамм от отправителя к получателям через объединенную систему компьютерных сетей.

Название данного протокола — Intrenet Protocol — отражает его суть: он должен передавать пакеты между сетями. В каждой очередной сети, лежащей на пути перемещения пакета, протокол IP вызывает средства транспортировки, принятые в этой сети, чтобы с их помощью передать этот пакет на маршрутизатор, ведущий к следующей сети, или непосредственно на узел-получатель.

Протокол IP относится к протоколам без установления соединений. Перед IP не ставится задача надежной доставки сообщений от отправителя к получателю. Протокол IP обрабатывает каждый IP-пакет как независимую единицу, не имею­щую связи ни с какими другими IP-пакетами.

В протоколе IP нет механизмов, обычно применяемых для увеличения достоверности конечных данных: отсутству­ет квитирование — обмен подтверждениями между отправителем и получателем, нет процедуры упорядочивания, повторных передач или других подобных функ­ций. Если во время продвижения пакета произошла какая-либо ошибка, то прото­кол IP по своей инициативе ничего не предпринимает для исправления этой ошибки. Например, если на промежуточном маршрутизаторе пакет был отброшен по при­чине истечения времени жизни или из-за ошибки в контрольной сумме, то модуль IP не пытается заново послать испорченный или потерянный пакет. Все вопросы обес­печения надежности доставки данных по составной сети в стеке TCP/IP решает протокол TCP, работающий непосредственно над протоколом IP. Именно TCP орга­низует повторную передачу пакетов, когда в этом возникает необходимость.

Модель и стек протоколов TCP/IP | Курс «Компьютерные сети»

Важной особенностью протокола IP, отличающей его от других сетевых прото­колов (например, от сетевого протокола IPX), является его способность выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между сетями с различны­ми, максимально допустимыми значениями поля данных кадров MTU. Свойство фрагментации во многом способствовало тому, что протокол IP смог занять доми­нирующие позиции в сложных составных сетях.

Имеется прямая связь между функциональной сложностью протокола и слож­ностью заголовка пакетов, которые этот протокол использует. Это объясняется тем, что основные служебные данные, на основании которых протокол выполняет то или иное действие, переносятся между двумя модулями, реализующими этот протокол на разных машинах, именно в полях заголовков пакетов. Поэтому очень полезно изучить назначение каждого поля заголовка IP-пакета, и это изучение дает не только формальные знания о структуре пакета, но и объясняет все основные режимы работы протокола по обработке и передаче IP-дейтаграмм.

Структура IP-пакета

Поле Номер версии (Version), занимающее 4 бит, указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 (IPv4), и готовится переход на версию 6 (IPv6).

Поле Длина заголовка (IHL) IP-пакета занимает 4 бит и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битoвыx словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт в поле Опции (IP Options). Наибольший заголовок занимает 60 октетов.

TCP/IP для чайников. Как работает стек протоколов TCP/IP?

Поле Тип сервиса (Type of Service) занимает один байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (Precedence). Приоритет может иметь значения от са­мого низкого — 0 (нормальный пакет) до самого высокого — 7 (пакет управляющей информации).

Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание при­оритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Ре­ально выбор осуществляется между тремя альтернативами: малой задержкой, вы­сокой достоверностью и высокой пропускной способностью.

Установленный бит D (delay) говорит о том, что маршрут должен выбираться для минимизации задерж­ки доставки данного пакета, бит Т — для максимизации пропускной способности, а бит R — для максимизации надежности доставки. Во многих сетях улучшение од­ного из этих параметров связано с ухудшением другого, кроме того, обработка каждого из них требует дополнительных вычислительных затрат. Поэтому редко, когда имеет смысл устанавливать одновременно хотя бы два из этих трех критери­ев выбора маршрута. Зарезервированные биты имеют нулевое значение.

Рис. 5.12. Структура заголовка IP-пакета

Поле Общая длина (Total Length) занимает 2 байта и означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65 535 байт, однако в большинстве хост-компьютеров и сетей столь большие пакеты не используются.

При передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом макси­мальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IP-пакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байт, уме­щающиеся в поле данных кадра Ethernet. В стандарте предусматривается, что все хосты должны быть готовы принимать пакеты вплоть до 576 байт длиной (прихо­дят ли они целиком или по фрагментам). Хостам рекомендуется отправлять паке­ты размером более чем 576 байт, только если они уверены, что принимающий хост или промежуточная сеть готовы обслуживать пакеты такого размера.

Поле Идентификатор пакета (Identification) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного паке­та. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле Флаги (Flags) занимает 3 бита и содержит признаки, связанные с фраг­ментацией. Установленный бит DF (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит MF (More Fragments) гово­рит о том, что данный пакет является промежуточным (не последним) фрагмен­том. Оставшийся бит зарезервирован.

Поле Смещение фрагмента (Fragment Offset) занимает 13 бит и задает смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного паке­та, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами MTU. Смеще­ние должно быть кратно 8 байт.

Поле Время жизни (Time to Lice) занимает один байт и означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи.

На маршрутизато­рах и в других узлах сети по истечении каждой секунды из текущего времени жизни вычитается единица; единица вычитается и в том случае, когда время задер­жки меньше секунды. Поскольку современные маршрутизаторы редко обрабаты­вают пакет дольше, чем за одну секунду, то время жизни можно считать равным максимальному числу узлов, которые разрешено пройти данному пакету до того, как он достигнет места назначения. Если параметр времени жизни станет нулевым; до того, как пакет достигнет получателя, этот пакет будет уничтожен. Время жизни; можно рассматривать как часовой механизм самоуничтожения. Значение этого поля; изменяется при обработке заголовка IP-пакета.

Идентификатор Протокол верхнего уровня (Protocol) занимает один байт и ука­зывает, какому протоколу верхнего уровня принадлежит информация, размещен­ная в поле данных пакета (например, это могут быть сегменты протокола TCP, Д дейтаграммы UDP, пакеты ICMP или OSPF). Значения идентификаторов для различных протоколов приводятся в документе RFC «Assigned Numbers».

Контрольная сумма (Header Checksum) занимает 2 байта и рассчитывается только по заголовку. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое значение в, процессе передачи пакета по сети (например, время жизни), контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается при каждой обработке IP-заголовка. Контрольная сумма — 16 бит, подсчитывается как дополнение к сумме всех 16-битовых слов заголовка. При вычислении контрольной суммы значение самого поля 1 «контрольная сумма» устанавливается в нуль. Если контрольная сумма неверна, то пакет будет отброшен, как только ошибка будет обнаружена.

Поля IP-адрес источника (Source IP Address) и IP-адрес назначения (Destination IP Arffifress) имеют одинаковую длину — 32 бита и одинаковую структуру.

Поле Опции (IP Options) является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Механизм опций предоставляет функции управления, которые необходимы или просто полезны при определенных ситуациях, однако он не нужен при обычных коммуникациях. Это поле состоит из нескольких подполей, каждое из которых может быть одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут прохождения маршрутизаторов, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности, а также временные отметки. Так как число подполей может быть произвольным, то в конце поля Опции должно быть добавлено несколько байт для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе.

Поле Выравнивание (Padding) используется для того, чтобы убедиться в том, что IP-заголовок заканчивается на 32-битной границе. Выравнивание осуществляется нулями.

Ниже приведена распечатка значений полей заголовка одного из реальных IP-пакетов, захваченных в сети Ethernet средствами анализатора протоколов Microsoft Network Monitor.

IP. O. = Normal Delay

IP. O. = Normal Throughput

IP. 0.. = Normal Reliability

IP. 0 = Last fragment in datagram

IP. 1. = Cannot fragment datagram

Источник: infopedia.su

Протоколы IP, ICMP, ARP. Стек коммуникационных протоколов TCP/IP.

Протокол IP находится на межсетевом уровне стека протоколов TCP/IP. 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), 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, таков:

· с одного из интерфейсов уровня доступа к среде передачи (например, с Ethernet-интерфейса) в модуль IP поступает дейтаграмма;

· модуль IP анализирует заголовок дейтаграммы;

· если пунктом назначения дейтаграммы является данный компьютер:

o если дейтаграмма является фрагментом большей дейтаграммы, ожидаются остальные фрагменты, после чего из них собирается исходная большая дейтаграмма;

o 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 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.

Протокол ICMP

Протокол межсетевых управляющих сообщений (Internet Control Message Protocol, ICMP) играет в сети вспомогательную роль. Спецификация этого про­токола содержится в RFC 792.

Существует ряд ситуаций, когда протокол IP не может доставить пакет адресату, например, когда истекает время жизни пакета, когда в таблице маршрутизации отсутствует маршрут к заданному в пакете адресу назначения, когда пакет не проходит проверку по контрольной сумме, когда шлюз не имеет достаточно мес­та в своем буфере для передачи какого-либо пакета и т. д. и т. п. Как мы не раз отмечали, протокол IP работает по возможности (с максимальными усилиями), то есть не предпринимает мер для гарантированной доставки данных. Это свой­ство «необязательности» протокола IP компенсируется протоколами более вы­соких уровней, например TCP на транспортном уровне или в какой-то степени DNS на прикладном уровне. Они берут на себя обязанности по обеспечению на­дежности, применяя такие известные приемы, как нумерация сообщений, под­тверждение доставки, повторная посылка данных.

Протокол ICMP служит дополнением протокола IP несколько другого рода. Он не предназначен для исправления возникших при передаче пакета проблем: если пакет потерян, ICMP не может послать его заново. Задача ICMP другая — он яв­ляется средством оповещения отправителя о «несчастных случаях», произошед­ших с его пакетами. В то время как протокол IP посылает пакет и забывает о нем, протокол ICMP «отслеживает» передвижение пакета по сети и при отбра­сывании пакета маршрутизатором передает сообщение об этом узлу-источнику, обеспечивая таким образом обратную связь между посланным пакетом и отпра­вителем.

Пусть, например, протокол IP, работающий на каком-либо маршрутизаторе, об­наружил, что пакет для дальнейшей передачи по маршруту необходимо фраг­ментировать, но в пакете установлен признак DF (не фрагментировать). Прото­кол IP, обнаруживший, что он не может передать IP-пакет далее по сети, должен отправить диагностическое ICMP-сообщение узлу-источнику и только потом от­бросить пакет.

Помимо диагностики ICMP также используется для мониторинга сети. Так, в ос­нове популярных утилит для мониторинга IP-сетей ping и tracert лежат ICMP- сообщения. С помощью ICMP-сообщений приложение может определить мар­шрут перемещения данных, оценить работоспособность сети, определить время прохождения данных до заданного узла, сделать запрос о значении маски опре­деленного сетевого интерфейса и т. п.

Заметим, что некоторые из пакетов могут исчезнуть в сети, не вызвав при этом никаких оповещений. В частности, протокол ICMP не предусматривает переда­чу сообщений о проблемах, возникающих при обработке IP-пакетов, несущих ICMP-сообщения об ошибках. (Это правило, однако, не действует для IСМР-запросов.) Такое решение было принято разработчиками протокола, чтобы не по­рождать «штормы» в сетях, когда количество сообщений об ошибках лавинооб­разно возрастает. По этой же причине ICMP-сообщения не передаются, если ошибка возникла при передаче какого-либо фрагмента, кроме первого, а также когда потерянный пакет имел широковещательный IP-адрес или был упакован в кадр с широковещательным адресом несущей технологии.

Поскольку IP-пакет содержит адрес отправителя, но не содержит никакой адрес­ной информации о промежуточных маршрутизаторах, ICMP-сообщения направляются только конечным узлам. Здесь сообщения могут быть обработаны либо ядром операционной системы, либо протоколами транспортного и прикладного уровней, либо приложениями, либо просто проигнорированы. Важно, что обра­ботка ICMP-сообщений не входит в обязанности протоколов IP и ICMP.

7.3. Протокол ARP (протокол разрешения адресов)

Любое устройство, подключенное к локальной сети (Ethernet, FDDI и т.д.), имеет уникальный физический сетевой адрес, заданный аппаратным образом. 6-байтовый Ethernet-адрес выбирает изготовитель сетевого интерфейсного оборудования из выделенного для него по лицензии адресного пространства. Если у машины меняется сетевой адаптер, то меняется и ее Ethernet-адрес.

4-байтовый IP-адрес задает менеджер сети с учетом положения машины в сети Интернет. Если машина перемещается в другую часть сети Интернет, то ее IP-адрес должен быть изменен. Преобразование IP-адресов в сетевые выполняется с помощью arp-таблицы. Каждая машина сети имеет отдельную ARP-таблицу для каждого своего сетевого адаптера. Не трудно видеть, что существует проблема отображения физического адреса (6 байт для Ethernet) в пространство сетевых IP-адресов (4 байта) и наоборот.

Протокол ARP (address resolution protocol, RFC-826) решает именно эту проблему — преобразует ARP- в Ethernet-адреса.

Источник: lektsia.com

IP — Internet Protocol

Набор протоколов TCP/IP разделен на уровни гораздо проще, чем предусмотрено моделью OSI. TCP и UDP — это транспортные протоколы, соответствующие уровню 4 OSI. Они используют IP, протокол уровня 3 OSI (сетевого уровня). Кроме этих трех протоколов, в наборе протоколов TCP/IP есть еще два базовых протокола, расширяющих IP: ICMP и IGMP. Функциональные возможности этих протоколов должны быть реализованы в уровне, содержащем IP.

Internet Protocol соединяет два узла. Каждый узел идентифицируется 32-битным адресом, называемым IP-адресом. При отправке сообщения IP-протокол получает его от протоколов верхнего уровня, TCP или UDP, и добавляет IP-заголовок, содержащий информацию о хосте-адресате.

Чтобы понять протокол IP, самый лучший способ — детально исследовать IP-заголовок. Содержащаяся в нем информация приведена в таблице:

Структура IP-заголовка

Поле Длина Описание

Версия IP	4 бита	Версия протокола IP, создавшего заголовок. Текущая версия протокола IP — 4.
Длина IP-заголовка	4 бита	Длина заголовка. Минимальное значение — 5 в единицах по 32 бита, или 4 байта. Следовательно, минимальная длина заголовка равна 20 байтам.
Тип обслуживания	1 байт	Поле типа обслуживания позволяет отправлять сообщения с нормальной или высокой производительностью, нормальной или увеличенной задержкой, нормальной или высокой надежностью. Это поле полезно при отправке в сеть дейтаграмм. Несколько разновидностей сетей используют эту информацию, чтобы выделить приоритет определенного трафика. Кроме того, сообщения управления сетью по сравнению с обычными сообщениями имеют повышенные приоритет и надежность.
Общая длина	2 байта	В этих двух байтах задается общая длина сообщения — заголовка и данных— в октетах. Максимальный размер IP-пакета равен 65 535 байтов, но для большинства сетей такой размер непрактичен. Самый большой размер, который может быть принят всеми хостами, равен 576 байтам. Длинные сообщения могут разделяться на фрагменты — такой процесс называется фрагментацией.
Идентификация	2 байта	Если сообщение разбито на фрагменты, поле идентификации помогает собрать фрагменты сообщения. Все фрагменты одного сообщения имеют один и тот же идентификационный номер.
Флаги	3 бита	Эти флаги указывают, фрагментировано ли сообщение и является ли текущий пакет последним фрагментом сообщения.
Смещение фрагмента	13 битов	В этих 13 битах задается смещение фрагментированного сообщения. Фрагменты могут поступать не в том порядке, в каком они были отправлены, поэтому смещение необходимо, чтобы восстановить исходные данные. Первый фрагмент сообщения имеет длину О, а в остальных фрагментах дается смещение, по которому следует поместить фрагмент. Единица смещения равна 8 байтам, так что значение смещения 64 означает, что второй фрагмент нужно присоединить к сообщению после 512 байтов первого пакета.
Время жизни	1 байт	Значение «время жизни» (TTL) задает число секунд, которое сообщение может существовать, прежде чем будет отброшено. В этом значении необязательно указывается число секунд, поскольку каждый маршрутизатор, пересекаемый сообщением, должен уменьшить значение TTL на 1, даже если он затратил на обработку сообщения меньше одной секунды. Поэтому на практике в этом значении задается число допустимых «прыжков».
Протокол	1 байт	В этом байте указывается протокол, используемый на следующем уровне стека протоколов для этого сообщения. Номера протоколов определены в доступной оперативной базе данных Internet Assigned Number Authority (IANA).
Контрольная сумма заголовка	2 байта	Это контрольная сумма одного заголовка. Поскольку заголовок изменяется с каждым отправленным сообщением, контрольная сумма также изменяется.
Адрес источника	4 байта	В этом поле указывается 32-битный IP-адрес отправителя.
Адрес назначения	4 байта	Это 32-битный IP-адрес, по которому отправлено сообщение.
Опции	переменная	Здесь могут появляться необязательные поля. Например, можно указать, что это сообщение секретно или совершенно секретно. Также предусмотрена возможность будущих расширений.
Дополнение	переменная	Это поле содержит переменное число нулей, такое, чтобы заголовок заканчивался на 32-битной границе.

Internet Protocol (IP) определен в RFC 791. Документы RFC (Request for Comments) содержат техническую информацию о многих важных интернет-технологиях.

IP-адрес

Каждый узел в сети TCP/IP может быть идентифицирован 32-битным IP-адресом. Обычно IP-адрес представляется четырьмя десятичными значениями в таком виде: 192.168.0.1. Каждое из этих чисел представляет собой один байт IP-адреса и может находиться в пределах от 0 до 255.

IP-адрес содержит две части: сетевую часть и часть хоста. В зависимости от класса сети сетевая часть состоит из одного, двух или трех байтов:

Класс Байт 1 Байт 2 Байт 3 Байт 4

A	Сеть (1—126)	Хост (0-255)	Хост (0—255)	Хост (0—255)
B	Сеть (128—191)	Сеть (0—255)	Хост (0—255)	Хост (0—255)
C	Сеть (192—223)	Сеть (0—255)	Сеть (0—255)	Хост (0—255)

Первый бит адреса сети класса А должен быть 0, поэтому первый байт для сети класса А имеет двоичные значения в пределах от 00000001 (1) до 01111110 (126). Остальные три байта служат для идентификации узлов в сети, позволяя соединить в сети класса А более 16 млн. устройств.

Заметим, что в приведенной таблице адреса с числом 127 в первом байте пропущены, поскольку это зарезервированный диапазон адресов. Адрес 127.0.0.1 — это всегда адрес локального хоста, а 127.0.0.0 — адрес локальной обратной связи. Обратная связь используется для тестирования стека сетевых протоколов на одной машине, без прохода через сетевую интерфейсную плату.

В IP-адресе для сети класса В первые два бита всегда имеют значение 10, что дает диапазон от 10000000 (128) до 10111111 (191). Второй байт продолжает идентификацию сети значением от 0 до 255, оставляя два последних байта для идентификации узлов сети, всего до 65 534 устройств.

Сети класса С отличаются IP-адресом, в котором в первых трех битах установлено значение 110, разрешая значения в диапазоне от 11000000 (192) до 11011111 (223). В сети этого типа лишь один байт оставлен для идентификации узлов, поэтому к ней можно подсоединить только 254 устройства.

Число устройств, которое можно подсоединить к сети каждого из этих классов с особыми IP-адресами, обратно пропорционально числу возможных сетей этого типа. Например, сеть класса А, допуская 16 млн. хостов, оставляет только часть первого байта для идентификации сети. В результате во всем мире может существовать лишь 126 сетей класса А. Только крупные компании, подобные AT https://professorweb.ru/my/csharp/web/level1/1_3.php» target=»_blank»]professorweb.ru[/mask_link]