4.4.1. IP-протокол

Семёнов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ), book.itep.ru

В Интернет используется много различных типов пакетов, но один из основных - IP-пакет (RFC-791), именно он вкладывается в кадр Ethernet и именно в него вкладываются пакеты UDP, TCP. IP-протокол предлагает ненадежную транспортную среду. Ненадежную в том смысле, что не существует гарантии благополучной доставки IP-дейтаграммы. Алгоритм доставки в рамках данного протокола предельно прост: при ошибке дейтаграмма выбрасывается, а отправителю посылается соответствующее ICMP-сообщение (или не посылается ничего). Обеспечение же надежности возлагается на более высокий уровень (UDP или TCP). Формат IP-пакетов показан на рисунке 4.4.1.1.

Рис. 4.4.1.1. Формат дейтаграммы Интернет

Поле версия характеризует версию IP-протокола (например, 4 или 6). Формат пакета определяется программой и, вообще говоря, может быть разным для разных значений поля версия. Только размер и положение этого поля незыблемы. Поэтому в случае изменений длины IP-адреса слишком тяжелых последствий это не вызовет. Понятно также, что значение поля версия во избежании непредсказуемых последствий должно контролироваться программой. HLEN - длина заголовка, измеряемая в 32-разрядных словах, обычно заголовок содержит 20 октетов (HLEN=5, без опций и заполнителя). Поле полная длина определяет полную длину IP-дейтаграммы (до 65535 октетов), включая заголовок и данные. Одно-октетное поле тип сервиса (TOS - type of service) характеризует то, как должна обрабатываться дейтаграмма. Это поле делится на 6 субполей:

Субполе Приоритет предоставляет возможность присвоить код приоритета каждой дейтаграмме. Значения приоритетов приведены в таблице (в настоящее время это поле не используется).

0   Обычный уровень
1   Приоритетный
2   Немедленный
3   Срочный
4   Экстренный
5   ceitic/ecp
6   Межсетевое управление
7   Сетевое управление

Формат поля TOS определен в документе RFC-1349. Биты C, D, T и R характеризуют пожелание относительно способа доставки дейтаграммы. Так D=1 требует минимальной задержки, T=1 - высокую пропускную способность, R=1 - высокую надежность, а C=1 – низкую стоимость. TOS играет важную роль в маршрутизации пакетов. Интернет не гарантирует запрашиваемый TOS, но многие маршрутизаторы учитывают эти запросы при выборе маршрута (протоколы OSPF и IGRP). В таблице 4.4.1.1 приведены рекомендуемые значения TOS.

Табл. 4.4.1.1. Значения TOS для разных протоколов

Только один бит из четырех в TOS может принимать значение 1. Значения по умолчанию равны нулю. Большинство из рекомендаций самоочевидны. Так при telnet наибольшую важность имеет время отклика, а для SNMP (управление сетью) - надежность.

До середины 90-х годов поле TOS в большинстве реализаций игнорировалось. Но после начала разработок средств обеспечения качества обслуживания (QoS) внимание к этому возрасло. Появилось предложение замены поля TOS на поле DSCP (Differenciated Services Code Point), которое также имеет 8 бит (см. RFC-2474). Смотри рис. 4.4.1.1a. Биты CU пока не определены. Иногда это поле называется байтом DS (Differentiated Services).

Рис. 4.4.1.1a. Формат поля DSCP.

Биты DS0-DS5 определяют селектор класса. Значения этого кода представлены в таблице ниже. Стандартным значением DSCP по умолчанию является 000000.

Селектор класса	DSCP
Приоритет 1	001000
Приоритет 2	010000
Приоритет 3	011000
Приоритет 4	100000
Приоритет 5	101000
Приоритет 6	110000
Приоритет 7	111000

На базе DSCP разработана технология "пошагового поведения" PHB (per Hop Behavior). В рамках этой политики определяются коды DSCP внутри классов. Например, для политики немедленной переадресации EF рекомендуемое значение DSCP=101110. Эта политика соответствует наиболее высокому уровню обслуживания.

Маршрут транспортировки IP-дейтаграммы нельзя знать заранее, это связано с поэтапным (по-шаговом) принятием решения о пути каждого пакета. Это свойство маршрутизации обусловлено тем, что IP является протоколом передачи данных без установления соединения.

Поля идентификатор, флаги (3 бита) и указатель фрагмента (fragment offset) управляют процессом фрагментации и последующей "сборки" дейтаграммы. Идентификатор представляет собой уникальный код дейтаграммы, позволяющий идентифицировать принадлежность фрагментов и исключить ошибки при "сборке" дейтаграмм. Бит 0 поля флаги является резервным, бит 1 служит для управления фрагментацией пакетов (0 - фрагментация разрешена; 1 - запрещена), бит 2 определяет, является ли данный фрагмент последним (0 – последний фрагмент; 1 - следует ожидать продолжения). Поле время жизни (TTL - time to live) задает время жизни дейтаграммы в секундах, т.е. предельно допустимое время пребывания дейтаграммы в системе. При каждой обработке дейтаграммы, например в маршрутизаторе, это время уменьшается в соответствии со временем пребывания в данном устройстве или согласно протоколу обработки. Если TTL=0, дейтаграмма из системы удаляется. Во многих реализациях TTL измеряется в числе шагов, в этом случае каждый маршрутизатор выполняет операцию TTL=TTL-1. TTL помогает предотвратить зацикливание пакетов. Поле протокол аналогично полю тип в Ethernet-кадре и определяет структуру поля данные (см. табл. 4.4.1.2).

Поле контрольная сумма заголовка вычисляется с использованием операций сложения 16-разрядных слов заголовка по модулю 1. Сама контрольная сумма является дополнением по модулю один полученного результата сложения. Обратите внимание, здесь осуществляется контрольное суммирование заголовка, а не всей дейтаграммы. Поле опции не обязательно присутствует в каждой дейтаграмме. Размер поля опции зависит от того, какие опции применены. Если используется несколько опций, они записываются подряд без каких-либо разделителей. Каждая опция содержит один октет кода опции, за которым может следовать октет длины и серия октетов данных. Если место, занятое опциями, не кратно 4 октетам, используется заполнитель. Структура октета кода опции отражена на рис. 4.4.1.2.

Таблица 4.4.1.2. Коды протоколов Интернет

Рис. 4.4.1.2. Формат описания опций

Флаг копия равный 1 говорит о том, что опция должна быть скопирована во все фрагменты дейтаграммы. При равенстве этого флага 0 опция копируется только в первый фрагмент. Ниже приведены значения разрядов 2-битового поля класс опции:

В таблице, которую вы найдете ниже, приведены значения классов и номеров опций.

* в колонке "длина" - означает - переменная.

Наибольший интерес представляют собой опции временные метки и маршрутизация. Опция записать маршрут создает дейтаграмму, где зарезервировано место, куда каждый маршрутизатор по дороге должен записать свой IP-адрес (например, утилита traceroute). Формат опции записать маршрут в дейтаграмме представлен ниже на рис. 4.4.1.3 (предусмотрено место для записи 9 IP-адресов, к сожаления, реализация RR не является обязательной):

Рис. 4.4.1.3 Формат опций записать маршрут

Поле код содержит номер опции (7 в данном случае). Поле длина определяет размер записи для опций, включая первые 3 октета. Указатель отмечает первую свободную позицию в списке IP-адресов (куда можно произвести запись очередного адреса). Интересную возможность представляет опция маршрут отправителя, которая открывает возможность посылать дейтаграммы по заданному отправителем маршруту. Это позволяет исследовать различные маршруты, в том числе те, которые недоступны через узловые маршрутизаторы. Существует две формы такой маршрутизации: Свободная маршрутизация и Жесткая маршрутизация (маршрутизация отправителя). Форматы для этих опций показаны ниже:

Рис. 4.4.1.3а. Формат опций маршрутизации

Жесткая маршрутизация означает, что адреса определяют точный маршрут дейтаграммы. Проход от одного адреса к другому может включать только одну сеть. Свободная маршрутизация отличается от предшествующей возможностью прохода между двумя адресами списка более чем через одну сеть. Поле длина задает размер списка адресов, а указатель отмечает адрес очередного маршрутизатора на пути дейтаграммы.

IP-слой имеет маршрутные таблицы, которые просматриваются каждый раз, когда IP получает дейтаграмму для отправки. Когда дейтаграмма получается от сетевого интерфейса, IP первым делом проверяет, принадлежит ли IP-адрес места назначения к списку локальных адресов, или является широковещательным адресом. Если имеет место один из этих вариантов, дейтаграмма передается программному модулю в соответствии с кодом в поле протокола. IP-процессор может быть сконфигурирован как маршрутизатор, в этом случае дейтаграмма может быть переадресована в другой узел сети. Маршрутизация на IP-уровне носит пошаговый характер. IP не знает всего пути, он владеет лишь информацией – какому маршрутизатору послать дейтаграмму с конкретным адресом места назначения.

Просмотр маршрутной таблицы происходит в три этапа:

1. Ищется полное соответствие адресу места назначения. В случае успеха, пакет посылается соответствующему маршрутизатору или непосредственно интерфейсу адресата. Связи точка-точка выявляются именно на этом этапе.

2. Ищется соответствие адресу сети места назначения. В случае успеха система действует также как и в предшествующем пункте. Одна запись в таблице маршрутизации соответствует всем ЭВМ, входящим в данную сеть.

3. Осуществляется поиск маршрута по умолчанию и, если он найден, дейтаграмма посылается в соответствующий маршрутизатор.

Для того чтобы посмотреть, как выглядит простая маршрутная таблица, воспользуемся командой netstat –rn (ЭВМ Sun. Флаг -r выводит на экран маршрутную таблицу, а -n отображает IP-адреса в цифровой форме. С целью экономии места таблица в несколько раз сокращена).

routing tables destination	gateway	flags	refcnt	use	interface
193.124.225.72	193.124.224.60	ughd	0	61	le0
192.148.166.1	193.124.224.60	ughd	0	409	le0
193.124.226.81	193.124.224.37	ughd	0	464	le0
192.160.233.201	193.124.224.33	ughd	0	222	le0
192.148.166.234	193.124.224.60	ughd	1	3248	le0
193.124.225.66	193.124.224.60	ughd	0	774	le0
192.148.166.10	193.124.224.60	ughd	0	621	le0
192.148.166.250	193.124.224.60	ughd	0	371	le0
192.148.166.4	193.124.224.60	ughd	0	119	le0
145.249.16.20	193.124.224.60	ughd	0	130478	le0
192.102.229.14	193.124.224.33	ughd	0	13206	le0
default	193.124.224.33	ug	9	5802624	le0
193.124.224.32	193.124.224.35	u	6	1920046	le0
193.124.134.0	193.124.224.50	ugd	1	291672	le0

Колонка destination - место назначение, Default - отмечает маршрут по умолчанию; Gateway - IP-адреса портов подключения (маршрутизаторов); REFCNT (reference count) - число активных пользователей маршрута; USE – число пакетов, посланных по этому маршруту; interface - условные имена сетевых интерфейсов. Расшифровка поля FLAGS приведено ниже:

Опция временные метки работает также как и опция запись маршрута. Каждый маршрутизатор на пути дейтаграммы делает запись в одном из полей дейтаграммы (два слова по 32 разряда; смотри раздел 4.4.15). Формат этой опции отображен на рисунке 4.4.1.4.

Рис. 4.4.1.4 Формат опции "временные метки"

Смысл полей длина и указатель идентичен тому, что сказано о предыдущих опциях. 4-битовое поле переполнение содержит число маршрутизаторов, которые не смогли записать временные метки из-за ограничений выделенного места в дейтаграмме. Значения поля флаги задают порядок записи временных меток маршрутизаторами:

Таблица 4.4.1.3.

Временные метки должны содержать время в миллисекундах, отсчитанное от начала суток. Если маршрутизатору некуда положить свою временную метку (число меток превысило 9), он инкрементирует счетчик переполнение.

Взаимодействие других протоколов с IP можно представить из схемы на рис. 4.4.1.5. В основании лежат протоколы, обеспечивающие обмен информацией на физическом уровне, далее следуют протоколы IP, ICMP, ARP, RARP, IGMP и протоколы маршрутизаторов. Чем выше расположен протокол, тем более высокому уровню он соответствует. Протоколы, имена которых записаны в одной и той же строке, соответствуют одному и тому же уровню. Но все разложить аккуратно по слоям невозможно - некоторые протоколы занимают промежуточное положение, что и отражено на схеме, (области таких протоколов захватывают два уровня. Здесь протоколы IP, ICMP и IGMP помещены на один уровень, для чего имеется не мало причин. Но иногда последние два протокола помещают над IP, так как их пакеты вкладываются в IP-дейтаграммы. Так что деление протоколов по уровням довольно условно. На самом верху пирамиды находятся прикладные программы, хотя пользователю доступны и более низкие уровни (например, ICMP), что также отражено на приведенном рисунке (4.4.1.5).

Рис. 4.4.1.5. Распределение протоколов Интернет по уровням

Интернет - это инструмент общения, средство доступа к информации и как всякий инструмент требует практики. Из вашего собственного опыта вы знаете, что можно прочесть ворох инструкций о том, как забивать гвозди, но научиться этому можно лишь на практике. Поэтому рекомендую с самого начала, читая данные тексты, чаще садитесь за терминал.

Назад: 4.4. Интернет
Оглавление: Телекоммуникационные технологии
Вперёд: 4.4.1.1. Адресация IPv6