2.2 Протоколы межсетевого взаимодействия семейства ip

Протокол IP находится на межсетевом уровне стека протоколов TCP/IP и обеспечивает передачу блоков данных, называемых пакетами, 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 пакетов для передачи данных через сети блоками малого размера.

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 (от англ. handshaking) – 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 сети. 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 пакет, может отправить 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 [6].

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

Общий сценарий работы модуля IP на каком-либо узле сети, принимающего пакет из сети, таков:

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

2) модуль IP анализирует заголовок пакета;

3) если пунктом назначения пакета является данный компьютер, то возможен один из двух вариантов. В первом случае, если пакет является фрагментом большего пакета, ожидаются остальные фрагменты, после чего из них собирается исходный большой пакет. Во втором случае из пакета извлекаются данные и направляются на обработку одному из протоколов вышележащего уровня (какому именно, указывается в заголовке пакета);

4) если пакет не направлен ни на один из IP-адресов данного узла, то дальнейшие действия зависят от того, разрешена или запрещена ретрансляция (от англ. forwarding) «чужих» пакетов;

5) если ретрансляция разрешена, то определяется следующий узел сети, на который должен быть переправлен пакет для доставки его по назначению, и интерфейс нижнего уровня, после чего пакет передается на нижний уровень этому интерфейсу для отправки (при необходимости может быть произведена фрагментация пакета);

6) если же пакет ошибочен или по каким-либо причинам не может быть доставлен, он уничтожается; при этом, как правило, отправителю пакета отсылается ICMP-сообщение об ошибке.

При получении данных от вышестоящего уровня для отправки их по сети IP-модуль формирует пакет с этими данными, в заголовок которого заносятся адреса отправителя и получателя и другая информация, после чего выполняются следующие шаги:

1. Если пакет предназначен этому же узлу, из него извлекаются данные и направляются на обработку одному из протоколов транспортного уровня (какому именно, указывается в заголовке пакета).

2. Если пакет направлен на IP-адрес некоторого узла, то определяется интерфейс нижнего уровня, после чего пакет передается на нижний уровень этому интерфейсу для отправки (при необходимости может быть произведена фрагментация пакета).

3. Если же пакет ошибочен или по каким-либо причинам не может быть доставлен, он уничтожается [7].

Здесь и далее узлом сети называется компьютер, подключенный к сети и поддерживающий протокол IP. Узел сети может иметь один и более IP-интерфейсов, подключенных к одной или разным сетям, каждый из которых идентифицируется уникальным IP-адресом.

IP-сетью называется множество компьютеров (IP-интерфейсов), часто (но не всегда) подсоединенных к одному физическому каналу связи и способных пересылать IP-пакеты друг другу непосредственно (то есть без ретрансляции через промежуточные компьютеры), при этом IP-адреса интерфейсов одной IP-сети имеют общую часть, которая называется адресом (или номером) IP-сети, и специфическую для каждого интерфейса часть, называемую адресом (или номером), данного интерфейса в данной IP-сети (в настоящем пособии речь идет об IP-сетях, поэтому приставку «IP» будем, как правило, опускать).

Маршрутизатором, или шлюзом, называется узел сети с несколькими IP-интерфейсами, подключенными к разным IP-сетям, который осуществляется на основе решения задачи маршрутизации (перенаправление пакетов из одной сети в другую для доставки от отправителя к получателю).

Хостами называются узлы IP-сети, не являющиеся маршрутизаторами. Обычно хост имеет один IP-интерфейс (например, связанный с сетевой картой Ethernet или с модемом), хотя может иметь и несколько [13].

Маршрутизаторы представляют собой либо специализированные вычислительные машины, либо компьютеры с несколькими IP-интерфейсами, работа которых управляется специальным программным обеспечением. Компьютеры конечных пользователей, различные серверы Интернет (вне зависимости от своей вычислительной мощности) являются хостами.

На сегодняшний день протокол IP имеет 2 реализации – классическую и инновационную. Классическим является IP-протокол 4 версии (IPv4), которым пользуются в сетях уже очень долгое время. Из-за ряда ограничений было принято решение о его усовершенствовании, и в начале 90-х годов прошлого века ученые начали работу по решению проблемы перехода на новый протокол межсетевого взаимодействия. В 1992 году были опубликованы несколько документов о создании «интернет-протокола следующего поколения» (IPng). К 1996 году были выпущены первые серии стандартов cо свободными определениями Интернет протокола 6 версии IPv6 (протокол IPv5 не был преемником IPv4, это был экспериментальный протокол, ориентированный на передачу потокового видео и аудио). Ожидается, что IPv4, наряду с IPv6, будет широко использоваться в обозримом будущем. Узлы, поддерживающие только IPv4, не смогут напрямую «общаться» с IPv6 узлами, но связь будет возможна через специальных «посредников» (в данном параграфе мы рассматриваем особенности функционирования обоих протоколов) [27].