8. Глобална мрежа Интернет.Архитектура на Интернет. Адресация в Интернет. Подмрежи.

 

Архитектура на Интернет

 

Въведение

 

Интернет е най-голямата и бързо развиващата се интернационална компютърна мрежа в света. Тя е глобална мрежа, която свързва милиони потребители към хиляди мрежи, разположени по цялото земно кълбо. Състои се от университетски, корпоративни и правителствени мрежи, както и от лични компютри, които комуникират помежду си чрез обща група мрежови протоколи за обмен на данни, известна като ТСР/IP.

Чрез Интернет (http://www.telecom.bg/portal/services/serv_index.html - Internet  услуги на БТК, http://www.telecom.bg/portal/services/serv_index.html - международна мрежа  Internet) потребителят получава достъп до огромна по количество разнородна информация, разположена физически върху милиони компютри, както и големи възможности за комуникация с други държави. Извличането на данни (текст, изображения, програми) става най-често чрез най-популярната услуга World Wide Web (WWW), а достъпът до файлове от публично достъпни архиви обикновено се осъществява чрез услугата FTP (File Transfer Protocol). Динамичното развитие на съвременните комуникационни средства вече позволява и провеждането на мултимедийни конференции по Интернет с участници от различни континенти.

Интернет не е ничия собственост, въпреки че редица фирми имат принос за управлението на различни части от мрежата и свързването им в едно цяло. Не съществува управляващ орган, който да контролира функционирането на Интернет. Мрежите в различните страни се изграждат и управляват на местно ниво в съответствие със законите на държавата.

Интернет възниква в САЩ на базата на научно- изследователската мрежа за военни цели ARPANET. В началото (1969 година) експерименталната мрежа се състои само от четири компютъра. През 1972 г. мрежата ARPANET е представена на обществеността. До този момент към нея са включени около 50 университета и научни лаборатории, които имат отношение към различни военни проекти. През 1975 година ARPANET се превръща в напълно работоспособна мрежа. По същото време са разработени основите на TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) протоколи.

През 1983 година мрежата за военни цели MILNET се отделя от ARPANET и за пръв път се появява терминът Интернет (Internet). Тогава  той се отнася за съвкупността от MILNET И ARPANET. През същата година протоколите ТСР/IP са възприети като военни стандарти и всички компютри, свързани към мрежата преминават към тях.

През 1990 г. ARPANET престава да съществува, но за сметка на това Интернет обединява все повече мрежи по целия свят. През 1993 г. около 10 милиона компютри в повече от 137 държави са свързани към Интернет, а през юли 1997 г. броят им вече е 20 милиона.

В наши дни дейността по изграждането на Интернет се координира от организациите RIPE (Reseaux IP Europeans) за Европа и InterNIC за САЩ. До 1991 г. бързото разрастване на NSFNET (опорната мрежа на Интернет в САЩ) създава нуждата от разширени мрежови информационни услуги. Когато договорът с центъра NNSC (NSFNET National Service Center) изтича, става ясна необходимостта от един или повече оператори на мрежови информационни услуги за нуждите на NSFNET. Така се стига до съвместно начинание  между NSF и три комерсиални организации - General Atomacs, AT&T и Network Solutions. Под името “ImterNIC” организациите се споразумяват за следното:

·        да осигуряват информационни услуги, играейки ролята на Мрежов Информационен Център – NIC (Network Information Center) от най-високо ниво;

·        да играят ролята на IP регистратура;

·        да раздават IP номера в световен мащаб, използвайки оторизирани регистратури под ръководството на Internet Assigned Numbers Authority (IANA);

·        да регистрират имена на домейни;

·        да създават и поддържат глобален каталог (Directory of Directories), който съдържа списъци на WWW, FTP и други видове сървери, достъпни по Интернет.

RIPE е организация, която обслужва всички европейски доставчици на Интернет услуги. Основната задача на RIPE е да осигури необходимата техническа и административна координация за нормалната работа на европейската IP мрежа. В резултат от дейността на RIPE всеки отделен потребител разполага с еднакви IP услуги независимо от конкретната мрежа, към която е свързан неговия компютър. В наши дни повече от 6 600 000 компютри в Европа са достъпни чрез мрежите, координирани от RIPE.

Основни дефиниции

Архитектурата на Интернет и нейното функциониране не биха могли да бъдат обяснени без запознаване с най-важните термини, отнасящи се до групата протоколи TCP/IP и Интернет.

Интернет протокол - IP (Internet Protocol)

Интернет протоколът е едно от най-важните средства, чрез които е изградена глобалната мрежа Интернет. Неговите основни функции са следните:

·        дефинира базовата единица за пренос на информация в Интернет- дейтаграмата (datagram);

·        дефинира схемата за адресация в Интернет;

·        чрез него се извършва маршрутизация на дейтаграмите към отдалечени компютри

СЗ адрес

IP адресът е 32- битово число, което уникално идентифицира всеки хост в Интернет.

Дейтаграма

Протоколите TCP/IP са изградени, за да осигуряват предаването на данни в мрежата с комутация на пакети ARPANET. Пакетите ARPANET са блокове от данни, които носят със себе си и информацията, необходима за доставянето им до местоназначението, като се използва дейтаграмен метод. Мрежата с комутация на пакети използва адресната информация в пакетите, за да ги комутира от една физическа мрежа към друга, предавайки ги към окончателното им местоназначение. Всеки пакет се транспортира независимо от останалите. Пакетът, дефиниран от Интернет протокола, се нарича дейтаграма.

 

Адресация в Интернет

 

Адресите в Интернет представляват 32-битови двоични числа, които е прието да се записват като четири десетични числа, разделени от точки. Всяка част от адреса се нарича байт или октет, тъй като представлява 8-битово двоично число. Макар че мрежовите адреси се записват като четири байта, логически те са изградени от две части. Първата част се нарича мрежова част, а втората- адрес на хоста.

Не всички възможни стойности са допустими за октетите в хост- частта. Октетите от тази част със стойност 0 и 255 са резервирани за специални цели. Адрес, чиято хост- част е съставена изцяло от нули, представлява адреса на дадената мрежа, към която хостът принадлежи. Адрес с хост- част, на която всички битове са единици, се нарича адрес на предаване до всички машини (broadcast address)- той едновременно адресира всички машини в дадена мрежа. Следователно, 149.76.255.255 не е валиден адрес на хост, но адресира всички хостове в мрежа 149.76.0.0.

Освен това съществуват и два резервирани мрежови адреса- 0.0.0.0. и 127.0.0.0. първият се нарича маршрут по подразбиране, а вторият- адрес за обратна връзка. Маршрутът по подразбиране се отнася за маршрутизацията на IP дейтаграмите.

Мрежа 127.0.0.0. е резервирана за локален IP трафик. Обикновено адресът 127.0.0.0. се присвоява на специален интерфейс на хоста, така наречения интерфейс за обратна връзка (loopback interface), който затваря веригата към себе си. Всеки IP пакет, подаден от този интерфейс от протокола ТСР или UDP (User Datagram Protocol), ще им бъде върнат, все едно, че е пристигнал от дадена мрежа. Това улеснява разработката и тестването на мрежово програмно осигуряване – дори без използване на реална мрежа. Друга полезна възможност е ползването на мрежови програми на компютър, който не е свързан в мрежа.

За да удовлетвори различни приложения, Мрежовият Информационен Център (NIC) осигурява пет класа адреси. Класовете се означават с латинските букви от А до Е, като всеки клас определя различна дължина на полетата за адрес на мрежата и адрес на хоста.

Адресни класове в Интернет

Адреси от клас А

При адресите от клас А най-старшият бит е 0 (нула), следващите 7 бита се използват за мрежовата част и оставащите 24 бита се използват за локален адрес (хост-част). Следователно, съществуват 128 мрежи от клас А и над 16 милиона хоста за всяка мрежа от този клас.

Ако разглеждаме адреса като съвкупност от четири байта, при адресите от клас А първият байт може да приема стойностите от 1 до 126. Този байт представлява адреса на мрежата, а останалите три остават за адреса на хоста.

Например, Интернет адресът 11.255.245.243 е т клас А. MILNET и някои големи комерсиални мрежи използват адреси от този клас.

 Адреси от клас В

При адресите от клас В най-старшите два бита са установени в 10, следващите 14 бита се използват за мрежовата част и оставащите 16 бита се използват за локален адрес (хост-част). Следователно съществуват 16 000 мрежи от клас В и над 64 000 хоста от всяка мрежа от този клас.

При Интернет адресите от клас В първите два байта могат да приемат стойностите от 128.1 до 191.255. Първите два байта представляват адреса на мрежата, а останалите два остават за адреса на хоста.

Например, Интернет адресът 128.127.50.101 е от клас В. Адресите от този клас се използват от различни големи организации.

Адреси от клас С

При адресите от клас С най-старшите три бита са установени в 110, следващите 21 бита се използват за мрежовата част и оставащите 8 бита се използват за локален адрес (хост- част). Следователно, съществуват 2 милиона мрежи от клас С и 256 хоста за всяка мрежа от този клас.

При адресите от клас С първите три байта могат да приемат стойностите от 192.0.1. до 223.255.255. Първите три байта представляват адреса на мрежата, а четвъртият остава за адреса на хоста.

Например, адресът 192.32.5.35 е от клас С. Адресите от този клас обикновено се раздават на малки организации.

Адреси от клас D

При адресите от клас D най-старшите четири бита са установени в 1110, а оставащите 28 бита се използват за адрес за едноименно предаване до група машини (multicast address). Това позволява дадена IP дейтаграма да се предаде до “група от хостове”, представляваща множество машини, които се идентифицират с един IP адрес. Интернет адресите от клас D (от 224.0.0.0. до 239.255.255.255) не се раздават от NIC и RIPE.

Едновременно предаването до група хостове (multicasting) се използва за мрежови мултимедийни конференции и за така наречената “мрежова телевизия” (LAN TV), която все още е в експериментална фаза на развитие.

Засега адресите с най-старши битове 1111 не се използват. Те са запазени от NIC за бъдеща употреба и се наричат адреси от клас Е.

На фиг.8.1 са показани форматите на адреса за IP мрежи от класове А, В и С.

Подмрежи

Често се налага IP - мрежите да се разделят на по-малки части, наречени подмрежи, тъй като това осигурява допълнителни възможности на мрежовите администратори. Разделянето на дадена мрежа на подмрежи позволява децентрализация на нейното управление и улеснява контрола на трафика в нея. Освен това, чрез него може значително да се облекчи мрежовият трафик. Друга възможност, която дава разделянето на подмрежи, е обединяването на различни физически мрежи в една IP мрежа.

Подмрежите се въвеждат чрез подмрежова маска (subnet mask),  която е с формат на IP адрес, т.е. 32-битово двоично число, записвано за удобство като четири десетични числа, разделени с точки, напр. 255.255.255.0. Маската обикновено се състои от две последователни полета от единици и нули, напр. 11111111 11111111 11111111 00000000, като единиците указват мрежовата част на даден IP адрес, а нулите- адреса на хоста. Чрез подмрежовата маска се  извършва преместване на разделителната линия между двете части на адреса, дефинирана от съответния адресен клас А, В или С. Чрез прилагане на логическата операция побитово И (AND) между даден IP адрес и подмрежовата му маска, ще получим новата мрежова част на IP адреса.

Да допуснем, че дадена организация разполага с мрежа от клас В с IP адрес 131.24.0.0., т.е. с над 64 000 адреси на хостове. Тази мрежа би могла да се раздели на 256 подмрежи, като се вземат битове от хост-частта на адреса и се използват като поле “подмрежа”, както е показано на фиг.8.2. Използваната подмрежова маска е 255.255.255.0.

В този пример старшите 8 бита от хост адреса служат за въвеждане на подмрежовата част, а младшите- на адреса на хоста след разделянето на подмрежи. Следователно, адресът 131.24.1.71 отговаря на хост 71 от мрежа 131.24., подмрежа 1, а адресът 131.24.8.5. отговаря на хост 5 от мрежа 131.24, подмрежа 8 и т.н.

Нека разгледаме и един пример за IP адрес от клас А (фиг.8.2). Подмрежовата маска 255.255.0.0. прилага 8 подмрежови бита за адреса 34.0.0 и въвежда 256 подмрежи, а маската 255.255.255.0 чрез 16 подмрежови бита въвежда 65 536 подмрежи.

Нека да разгледаме и един пример за мрежа от клас С. Да разделим на осем подмрежи мрежата от клас С с адрес 192.12.122.0. Използвайки първите три бита на четвъртия октет за мрежовата част на адреса, получаваме следното:

11111111.11111111.11111111.11100000 или 255.255.255.224

Подмрежовата маска 255.255.255.224 осигурява осем подмрежи ( всяка с по 32 хост-адреса), защото старшите три бита на четвъртия октет могат да се използват за създаване на осем подмрежови адреса (фиг.8.3).

Най-лявата колона от таблицата съдържа номерата на осемте подмрежи, а в следващата колона е показан обхватът на IP адресите в дадена подмрежа. Най-дясната колона от таблицата показва четвъртия октет, записан двоично. С по-плътен шрифт са показани трите подмрежови бита, от които се вижда, че номерът на подмрежата е равен на числото, дефинирано от тези три бита. Нека да разгледаме един IP адрес от по-горната таблица (192.12.122.143) и да запишем двоично последния му октет (143): 1000 1111. Очевидно е, че това е адрес от четвърта подмрежа, т.е. този IP адрес съответства на хост 15 (вж. младшите пет бита) от подмрежа 4.

Супермрежи и безкласова маршрутизация

Изчерпването на IP адресите от клас В често налага на по-големите организации да се дават повече от една IP мрежа от клас С. От друга страна, поради огромното множество от мрежи клас С, таблиците за маршрутизация започнаха да стават прекалено големи. Всичко това доведе до възникването на т.нар. супермрежи и до появата на безкласова маршрутизация- CIDR (Classless Inter-Domain Routing).

Супермрежа се нарича група от мрежи, които се определят от последователни IP адреси. Всяка супермрежа притежава уникален супермрежов адрес, който се състои от старшите битове, които са общи за целия блок от последователни IP адреси. Нека да разгледаме блока от последователни IP адреси от 194.141.0.0 до 194.141.7.0. Супермрежовият адрес за тази съвкупност от мрежи от клас С е 11000010 10001101 00000, т.е. общите старши 21 бита. Прието е тези адреси да се записват като съвкупност от IP адрес и подмрежова маска, т.е. 194.141.0.0/255.255.248.0.

Безкласовата маршрутизация се поддържа от по-новите версии на протоколите за маршрутизация (BGP-4, OSPF-2, RIP-2). При нея даден маршрут вече представлява съвкупност от адреси и маски, т.е. маската вече е част от таблицата за маршрутизация.