Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 25 Формат пакета IPv4 и IPv6 Раздел 5 Сети TCP/IP. Сетевой уровень. Транспортный уровень. Прикладной. - презентация

1 Аппаратное и программное обеспечение ЭВМ и сетей Тема 25 Формат пакета IPv4 и IPv6 Раздел 5 Сети TCP/IP. Сетевой уровень. Транспортный уровень. Прикладной уровень

2 Формат IP-пакета Ver 4 Формат IP-пакета Имеется прямая связь между количеством полей заголовка пакета и функциональной сложностью протокола, который работает с этим заголовком. Чем проще заголовок тем проще соответствующий протокол. Большая часть действий протокола связана с обработкой той служебной информации, которая переносится в полях заголовка пакета. Изучая назначение каждого поля заголовка IP-пакета, мы получаем не только формальные знания о структуре пакета, но и знакомимся с основными функциями протокола IP. IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Ниже перечислены поля заголовка (рис ).

3 Формат IP-пакета Ver 4 Рис Структура заголовка IP-пакета

4 Формат IP-пакета Ver 4 Поле номера версии занимает 4 бита и идентифицирует версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 (IPv4), хотя все чаще встречается и новая версия (IPv6). Длина заголовка IP-пакета Hlen также занимает 4 бита и измеряется в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при добавлении некоторой служебной информации это значение может быть увеличено за счет дополнительных байтов в поле параметров (опций). Наибольшая длина заголовка составляет 60 байт. Поле типа сервиса (Type of Service, ToS) имеет и другое, более современное название байт дифференцированного обслуживания, или DS-байт. Этим двум названиям соответствуют два варианта интерпретации этого поля. В обоих случаях данное поле служит одной цели хранению признаков, которые отражают требования к качеству обслуживания пакета.

5 Формат IP-пакета Ver 4 Рис Структура поля TOS Рис Структура поля TOS В прежнем варианте первые три бита содержат значение приоритета пакета: от самого низкого 0 до самого высокого 7. Субполе Приоритет предоставляет возможность присвоить код приоритета каждой дейтограмме. 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

6 Формат IP-пакета Ver 4 Формат поля TOS определен в документе RFC Биты C, D, T и R характеризуют пожелание относительно способа доставки дейтограммы. Так D=1 (Delay- задержка) требует минимальной задержки, T=1 (Throughput)- высокую пропускную способность, R=1 (Reliability) - 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 приведены рекомендуемые значения TOS.

7 Формат IP-пакета Ver 4 ToS в IP-протоколе Таблица Значения TOS для разных протоколов Процедура Минимал. Задержка D Максим. пропускная способность T Максим. Надежность R Минимал. Стоимость C Код TOS FTP управление, FTP данные 10000x x08 TFTP 10000x10 DNS, UDP TCP 10000x x x00 telnet10000x10 ICMP00000x00 IGP00100x04 SMTP управление SMTP данные 10000x x08 SNMP00100x04 NNTP00010x02

8 Формат IP-пакета Ver 4 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. Оставшиеся биты имеют нулевое значение. Стандарты дифференцированного обслуживания, принятые в конце 90-х годов, дали новое название этому полю и переопределили назначение его битов. В DS- байте также используются только старшие 6 бит, а два младших бита остаются в качестве резерва.

9 Формат IP-пакета Ver 4 Замещение ToS на DSCP До середины 90-х годов поле TOS в большинстве реализаций игнорировалось. Но после начала разработок средств обеспечения качества обслуживания (QoS) внимание к этому возросло. Появилось предложение замены поля TOS на поле DSCP (Differenciated Services Code Point), которое также имеет 8 бит (см. RFC-2474). Смотри рис Биты CU пока не определены. Иногда это поле называется байтом DS (Differentiated Services). Рис Формат поля DSCP. Биты DS0-DS5 определяют селектор класса. Значения этого кода представлены в таблице ниже. Стандартным значением DSCP по умолчанию является

10 Формат IP-пакета Ver 4 Таблица Замещение ToS на DSCP 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= Эта политика соответствует наиболее высокому уровню обслуживания. Селектор класса DSCP Приоритет Приоритет Приоритет Приоритет Приоритет Приоритет Приоритет

11 Формат IP-пакета Ver 4 Маршрут транспортировки IP-дейтограммы нельзя знать заранее, это связано с поэтапным (пошаговом) принятием решения о пути каждого пакета. Это свойство маршрутизации обусловлено тем, что IP является протоколом передачи данных без установления соединения. Поле общей длины занимает 2 байта и характеризует общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет байт, однако в большинстве 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 1500 байт, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet. В стандартах TCP/IP предусматривается, что все хосты должны быть готовы принимать пакеты вплоть до 576 байт длиной (независимо от того, приходят ли они целиком или фрагментами).

12 Формат IP-пакета Ver 4 Поле Идентификатор позволяет хосту-получателю определить, какой дейтаграмме принадлежат полученные им фрагменты. Все фрагменты одной дейтаграммы содержат одно и то же значение идентификатора. Поле флаги (3 бита) Следом идет один неиспользуемый бит и два однобитных поля. Бит DF означает Don't Fragment (Не фрагментировать). Это команда маршрутизатору, запрещающая ему фрагментировать дейтаграмму, так как получатель не сможет восстановить ее из фрагментов. Например, при загрузке компьютера его ПЗУ может запросить образ памяти в виде единой дейтаграммы. Пометив дейтаграмму битом DF =1, отправитель гарантирует, что дейтаграмма дойдет единым блоком (0 - фрагментация разрешена; 1 - запрещена), даже если для ее доставки придется избегать сетей с маленьким размером пакетов. От всех машин требуется способность принимать фрагменты размером 576 байт и менее.

13 Формат IP-пакета Ver 4 Бит MF=1 означает More Fragments (Продолжение следует). Он устанавливается во всех фрагментах, кроме последнего. По этому биту получатель узнает о прибытии последнего фрагмента дейтаграммы. Поле указатель фрагмента (смещение фрагмента) (fragment offset) управляют процессом фрагментации и последующей "сборки" дейтограммы и указывает положение фрагмента в исходной дейтаграмме: смещение в байтах поля данных этого фрагмента относительно начала поля данных исходного нефрагментированного пакета. Длина всех фрагментов в байтах, кроме длины последнего фрагмента, должна быть кратна 8. На поле указатель фрагмента (смещение фрагмента) выделено 13 бит, максимальное количество фрагментов в дейтаграмме равно 8192, что дает максимальную длину дейтаграммы байт, на 1 байт больше, чем может содержаться в поле Полная длина.

14 Формат IP-пакета Ver 4 Поле время жизни (TTL - time to live) задает время жизни дейтаграммы в секундах, т.е. предельно допустимое время пребывания дейтограммы в системе. Поле Время жизни представляет собой счетчик, ограничивающий время жизни пакета. Предполагалось, что он будет отсчитывать время в секундах, таким образом, допуская максимальное время жизни пакета в 255 с. На каждом маршрутизаторе это значение должно было уменьшаться как минимум на единицу плюс время стояния в очереди. Однако на практике этот счетчик просто считает количество переходов через маршрутизаторы. Когда значение этого поля становится равным нулю, пакет отвергается, а отправителю отсылается пакет с предупреждением. Таким образом удается избежать вечного странствования пакетов, что может произойти, если таблицы маршрутизаторов по какой-либо причине испортятся.

15 Формат IP-пакета Ver 4 Поле протокол аналогично полю тип в Ethernet-кадре и определяет структуру поля данные. Собрав дейтаграмму из фрагментов, сетевой уровень должен решить, что с ней делать. Поле Протокол сообщит ему, какому процессу транспортного уровня ее передать. Это может быть TCP, UDP или что-нибудь еще. Нумерация процессов глобально стандартизирована по всему Интернету. Номера протоколов вместе с некоторыми другими были сведены в RFC 1700, однако теперь доступна интернет- версия в виде базы данных, расположенной по адресу Поле TTL относится к числу переменных полей заголовка. При прохождении через маршрутизатор над содержимым этого поля производится операция TTL=TTL-1, при этом должна быть пересчитана контрольная сумма и, если TTL=0, дейтаграммы отбрасывается.

16 Формат IP-пакета Ver 4 Tаблица Коды протоколов Интернет Код протокола Интернет Сокращенное название протокола Описание 0-Зарезервировано 1ICMPПротокол контрольных сообщений [rfc792] 2IGMPГрупповой протокол управления [rfc1112] 3GGP Протокол маршрутизатор-маршрутизатор [RFC- 823] 4IPIP поверх IP (инкапсуляция/туннели) 5STПоток [rfc1190] 6TCPПротокол управления передачей [RFC-793] 7UCL

17 Формат IP-пакета Ver 4 40ILIL-транспортный протокол 41SIPПростой Интернет-протокол 42SDRPПротокол маршрутных запросов для отправителя 43SIP-SRSIP исходный маршрут 44SIP-FragSIP-фрагмент 45IDRPИнтер-доменный маршрутный протокол 46RSVPПротокол резервирования ресурсов канала 47GREОбщая инкапсуляция маршрутов 49BNA 50SIPP-ESPSIPP ESЗ 52I-NLSPИнтегрированная система безопасности сетевого уровня 53SwipeIP с кодированием 54NHRPnbma протокол определения следующего шага не определены 61 Любой внутренний протокол ЭВМ 62CFTP 63 Любая локальная сеть

18 Формат IP-пакета Ver 4 Поле Контрольная сумма заголовка защищает от ошибок только заголовок и рассчитывается только по заголовку Подобная контрольная сумма полезна для обнаружения ошибок, вызванных неисправными микросхемами памяти маршрутизаторов. Алгоритм вычисления суммы просто складывает все 16-разрядные полуслова в дополнительном коде, преобразуя результат также в дополнительный код. Таким образом, проверяемая получателем контрольная сумма заголовка (вместе с этим полем) должна быть равна нулю. Этот алгоритм надежнее, чем обычное суммирование. Поскольку некоторые поля заголовка меняют свое значение в процессе передачи пакета по сети (например, поле времени жизни), контрольная сумма проверяется и повторно рассчитывается на каждом маршрутизаторе и конечном узле как дополнение к сумме всех 16-битовых слов заголовка. При вычислении контрольной суммы значение самого поля контрольной суммы устанавливается в нуль. Если контрольная сумма неверна, то пакет отбрасывается, как только обнаруживается ошибка.

19 Формат IP-пакета Ver 4 Поля IP-адресов источника и приемника имеют одинаковую длину 32 бита. Поле параметры/опции не обязательно присутствует в каждой дейтограмме. Размер поля параметры/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. Поле параметров является необязательным и используется обычно только при отладке сети. Это поле состоит из нескольких подполей одного из восьми предопределенных типов. В этих подполях можно указывать точный маршрут, регистрировать проходимые пакетом маршрутизаторы, помещать данные системы безопасности или временные отметки.

20 Формат IP-пакета Ver 4 Так как число подполей в поле параметров может быть произвольным, то в конце заголовка должно быть добавлено несколько нулевых байтов для выравнивания заголовка пакета по 32-битной границе. Поле Параметры/Опции (Необязательная часть) было создано для того, чтобы с появлением новых вариантов протокола не пришлось вносить в заголовок поля, отсутствующие в нынешнем формате. Оно же может служить пространством для различного рода экспериментов, испытания новых идей. Кроме того, оно позволяет не включать в стандартный заголовок редко используемую информацию. Изначально было определено пять разновидностей этого поля, перечисленных в табл , однако с тех пор появилось несколько новых. Текущий полный список имеется в Интернете, его можно найти по адресу

21 Формат IP-пакета Ver 4 Таблица Некоторые типы необязательного поля IP- дейтаграммы Тип Описание Безопасность Указывает уровень секретности дейтаграммы Свободная маршрутизация от источника Задает список маршрутизаторов, которые нельзя миновать Строгая маршрутизация от источника Задает полный путь следования дейтаграммы Запомнить маршрут Требует от всех маршрутизаторов добавлять свой IP-адрес Временной штамп Требует от всех маршрутизаторов добавлять свой IP-адрес и текущее время

22 Формат IP-пакета Ver 4 Параметр Безопасность указывает уровень секретности дейтаграммы. Теоретически, военный маршрутизатор может использовать это поле, чтобы запретить маршрутизацию дейтаграммы через территорию определенных государств. На практике все маршрутизаторы игнорируют этот параметр, так что его единственное практическое применение состоит в помощи шпионам в поиске ценной информации. Параметр Строгая маршрутизация от источника задает полный путь следования дейтаграммы от отправителя до получателя в виде последовательности IP-адресов. Дейтаграмма обязана следовать именно по этому маршруту. Наибольшая польза этого параметра заключается в том, что с его помощью системный менеджер может послать экстренные пакеты, когда таблицы маршрутизатора повреждены, или замерить временные параметры сети.

23 Формат IP-пакета Ver 4 Параметр Свободная маршрутизация от источника требует, чтобы пакет прошел через указанный список маршрутизаторов в указанном порядке, но при этом по пути он может проходить через любые другие маршрутизаторы. Обычно этот параметр указывает лишь небольшое количество маршрутизаторов. Например, чтобы заставить пакет, посылаемый из Лондона в Сидней, двигаться не на восток, а на запад, можно указать в этом параметре IP-адреса маршрутизаторов в Нью-Йорке, Лос-Анджелесе и Гонолулу. Этот параметр наиболее полезен, когда по политическим или экономическим соображениям следует избегать прохождения пакетов через определенные государства.

24 Формат IP-пакета Ver 4 Параметр Запомнить маршрут требует от всех маршрутизаторов, встречающихся по пути следования пакета, добавлять свой IP-адрес к полю Необязательная часть/Опции. Этот параметр позволяет системным администраторам вылавливать ошибки в алгоритмах маршрутизации (Ну почему все пакеты, посылаемые из Могилева в Минск, сначала попадают в Москву?). Когда была создана сеть ARPANET, ни один пакет не проходил больше чем через девять маршрутизаторов, поэтому 40 байт для этого параметра было как раз достаточно. Как уже говорилось, сегодня размер поля Необязательная часть оказывается слишком мал. Наконец, параметр Временной штамп действует полностью аналогично параметру Запомнить маршрут, но кроме 32-разрядного IP-адреса, каждый маршрутизатор записывает также 32-разрядную запись о текущем времени. Этот параметр также применяется в основном для отладки алгоритмов маршрутизации.

25 Формат IP-пакета Ver 4 Опции IP Опции определяют дополнительные услуги протокола IP по обработке дейтаграмм. Опция состоит, как минимум, из октета Тип опции, за которым могут следовать октет Длина опции и октеты с данными для опции. Структура октета Тип опции: Значения бита С: 1 - опция копируется во все фрагменты; 0 - опция копируется только в первый фрагмент. Определены два класса опций: 0 - Управление и 2 - Измерение и отладка. Внутри класса опция идентифицируется номером. Ниже приведены опции, описанные в стандарте протокола IP; знак - в столбце Октет длины означает, что опция состоит только из октета Тип опции, число рядом с плюсом означает, что опция имеет фиксированную длину (длина указывается в октетах).

26 Формат IP-пакета Ver 4 Таблица Опции IP КлассНомерОктет длины Опция 00-Конец списка опций 01-Нет операции 02+ (11)Безопасность 03+Loose Source Routing (свободное исполнение маршрута отправителя) 09+Strict Source Routing (строгое исполнение маршрута отправителя) 07+Запись маршрута 08+ (4)Stream ID 24+Internet Timestamp (временной штамп)

27 Формат IP-пакета Ver 4 При обнаружении в списке опции Конец списка опций разбор опций прекращается, даже если длина заголовка (IHL) еще не исчерпана. Опция Нет операции обычно используется для выравнивания между опциями по границе 32 бит. Большинство опций в настоящее время не используются. Опции Stream ID и Безопасность применялись в ограниченном круге экспериментов, функции опций Запись маршрута и Internet Timestamp выполняет программа traceroute. Определенный интерес представляют только опции Loose/Strict Source Routing, они рассмотрены в следующем пункте. Применение опций в дейтаграммах замедляет их обработку. Поскольку большинство дейтаграмм не содержат опций, то есть имеют фиксированную длину заголовка, их обработка максимально оптимизирована именно для этого случая. Появление опции прерывает этот скоростной процесс и вызывает стандартный универсальный модуль IP, способный обработать любые стандартные опции, но за счет существенной потери в быстродействии.

28 Формат IP-пакета Ver 4 Опции Loose/Strict Source Routing Опции Loose/Strict Source Routing (класс 0, номера 3 и 9 соответственно) предназначены для указания дейтаграмме предопределенного отправителем маршрута следования. Обе опции выглядят одинаково: Поле Данные содержит список IP-адресов требуемого маршрута в порядке следования. Поле Указатель служит для определения очередного пункта маршрута, оно содержит номер первого октета IP-адреса этого пункта в поле Данные. Номера считаются от начала опции с единицы, начальное значение указателя - 4. Тип опцииДлина опцииУказательДанные 1 октет (Длина - 3) октетов

29 Формат IP-пакета Ver 4 Опции работают следующим образом. Предположим, дейтаграмма, посланная из A в B, должна проследовать через маршрутизаторы G1 и G2. На выходе из А поле Destination Address заголовка дейтаграммы содержит адрес G1, а поле данных опции - адреса G2 и В (указатель=4). По прибытии дейтаграммы в G1 из поля данных опции, начиная с октета, указанного указателем (октет 4), извлекается адрес следующего пункта (G2) и помещается в поле Destination Address, при этом значение указателя увеличивается на 4, а на место адреса G2 в поле данных опции помещается адрес того интерфейса маршрутизатора G1, через который дейтаграмма будет отправлена по новому месту назначения (то есть в G2). По прибытии дейтаграммы в G2 процедура повторяется и дейтаграмма отсылается в В. При обработке дейтаграммы в В обнаруживается, что значение указателя (12) превышает длину опции, это значит, что конечный пункт маршрута достигнут.

30 Формат IP-пакета Ver 4 Отличия опций Loose Source Routing и Strict Source Routing друг от друга заключаются в следующем: Loose: очередной пункт требуемого маршрута может быть достигнут за любое количество шагов (хопов); Strict: очередной пункт требуемого маршрута должен быть достигнут за 1 шаг, то есть непосредственно. Рассмотренные опции копируются во все фрагменты. В дейтаграмме может быть только одна такая опция. Опции Loose/Strict Source Routing могут быть использованы в целях несанкционированного проникновения через контролирующий (фильтрующий) узел (в поле Destination Address устанавливается разрешенный адрес, дейтаграмма пропускается контролирующим узлом, далее из поля данных опции подставляется запрещенный адрес и дейтаграмма перенаправляется по этому адресу уже за пределами досягаемости контролирующего узла), поэтому в целях безопасности рекомендуется вообще запретить пропуск контролирующим узлом дейтаграмм с рассматриваемыми опциями.

31 Формат IP-пакета Ver 4 Быстродействующей альтернативой использованию опции Loose Source Routing является IP-IP инкапсуляция: вложение IP-дейтаграммы внутрь IP-дейтаграммы (поле Protocol внешней дейтаграммы имеет значение 4). Например, требуется отправить некоторый TCP-сегмент из А в В через С. Из А в С отправляется дейтаграмма вида:

32 Формат IP-пакета Ver 4 При обработке дейтаграммы в С обнаруживается, что данные дейтаграммы должны быть переданы для обработки протоколу IP и представляют собой, разумеется, также IP-дейтаграмму. Эта внутренняя дейтаграмма извлекается и отправляется в В. При этом дополнительное время на обработку дейтаграммы потребовалось только в узле С (обработка двух заголовков вместо одного), но во всех остальных узлах маршрута никакой дополнительной обработки не потребовалось, в отличие от случая использования опций. Применение IP-IP инкапсуляции также может вызвать описанные выше проблемы с безопасностью.

33 Формат IP-пакета Ver 4 Ниже приведена распечатка значений полей заголовка одного из реальных IP-пакетов, захваченных в сети Ethernet средствами анализатора протоколов сетевого монитора (Network Monitor, NM) от Microsoft. В данной распечатке NM в скобках дает шестнадцатеричные значения полей, кроме того, программа иногда представляет числовые коды полей в виде, более удобном для чтения. Например, дружественный программный интерфейс NM интерпретирует код 6 в поле протокола, помещая туда название соответствующего протокола TCP (см. строку, выделенную полужирным шрифтом).

34 Формат IP-пакета Ver 4 IP:Version = 4 (0x4) IP:Header Length = 20 IP: (0x14) Service Type = 0 IP: (0x0) Precedence = Routine IP:...0____ = Normal Delay IP: = Normal Throughput IP-..0. = Normal Reliability IP: Total Length = 54 (0x36) IP: Identification = (0x7C02) IP: Flags Summary = 2 (0x2) IP: = Last fragment in datagram IP: = Cannot fragment datagram IP: Fragment Offset = 0 (0x0) bytes IP- Time to Live = 128 (0x80) IP: Protocol = TCP - Transmission Control IP: Checksum = 0xEB86 IP- Source Address = IP: Destination Address = IP: Data: Number of data bytes remaining = 34 (0x0022)

35 Формат IP-пакета Ver 6 Формат IP6-пакета Направления модернизации стека TCP/IP За время существования протокола IPv4 были созданы множества новых протоколов для для стека TCP/IP, которые решали новые задачи, такие как: протокол резервирования ресурсов (RSVP), защищенный протокол IP (IPSec), протокол коммутации меток (MPLS) и т. п. Однако было ясно, что только за счет добавления новых протоколов технологию TCP/IP развивать нельзя нужно решиться на модернизацию сердцевины стека, протокола IP. Некоторые проблемы нельзя было решить без изменения формата IP-пакета и логики обработки полей заголовка IP-пакетов. Наиболее очевидной проблемой такого рода была проблема дефицита IP-адресов, которую невозможно снять, не расширив размер полей адресов источника и приемника.

36 Формат IP-пакета Ver 6 Критике стала все чаще подвергаться масштабируемость маршрутизации. Дело в том, что быстрый рост сети вызвал перегрузку маршрутизаторов, которые должны уже сегодня обрабатывать в своих таблицах маршрутизации информацию о нескольких десятках тысяч номеров сетей, да еще решать некоторые вспомогательные задачи, такие, например, как фрагментация пакетов. Некоторые из предлагаемых решений данной проблемы также требовали внесения изменений в протокол IP. Наряду с добавлением новых функций непосредственно в протокол IP необходимо было обеспечить его тесное взаимодействие с новыми протоколами членами стека TCP/IP, что также требовало добавления в заголовок IP новых полей, обработку которых осуществляли бы эти протоколы. Например, для работы RSVP было желательно введение в заголовок IP ноля метки потока, а для протокола IPSec специальных нолей для передачи данных, поддерживающих его функции обеспечения безопасности.

37 Формат IP-пакета Ver 6 В результате сообщество Интернета после достаточно долгого обсуждения решило подвергнуть протокол IP серьезной переработке, выбрав в качестве основных целей модернизации: создание масштабируемой схемы адресации; сокращение объема работ, выполняемых маршрутизаторами; предоставление гарантий качества транспортных услуг; обеспечение зашиты данных, передаваемых по сети. Активные работы по модернизации протокола IP и разработке новых, ассоциированных с ним, протоколов начались в 1992 году. За основу было принято единое предложение фирм: ENCAPS, SIP и PIP - (SIPP) в июле 1994 года, на сессии сообщества Интернета как протокол IP нового поколения (Next Generation Internet Protocol, IPng). Сейчас чаще используется аббревиатура IPv6.

38 Формат IP-пакета Ver 6 Документом, фиксирующим появление IPv6, стал RFC Базовый набор протоколов IPv6 был принят IETF в сентябре 1995 года. В августе 1998 года были приняты пересмотренные версии группы стандартов, определяющих как общую архитектуру IPv6 (RFC 2460), так и его отдельные аспекты, например систему адресации (RFC 2373).

39 Формат IP-пакета Ver 6 Масштабируемая система адресации Новая, шестая версия протокола IP (IPv6) внесла существенные изменения в систему адресации IP-сетей (RFC 2373). И, прежде всего, это коснулось увеличения разрядности адреса. IPv6-aдpec состоит из 128 бит, или 16 байт. Это дает возможность пронумеровать огромное количество узлов: Масштаб этого числа иллюстрирует, например, такой факт: если разделить это теоретически возможное количество IP- адресов между всеми жителями Земли (а их сегодня примерно 6 миллиардов), то на каждого из них придется невообразимо, если не сказать бессмысленно большое количество IP-адресов 5,7 х ! Очевидно, что такое значительное увеличение длины адреса было сделано не только и даже не столько для снятия проблемы дефицита адресов.

40 Формат IP-пакета Ver 6 Вместо прежних двух уровней иерархии адреса (номер сети и номер узла) в IPv6 имеется 4 уровня, из которых три уровня используются для идентификации сетей, а один для идентификации узлов сети. За счет увеличения числа уровней иерархии в адресе новый протокол эффективно поддерживает технологию CIDR. Благодаря этому, а также усовершенствованной системе групповой адресации и введению нового типов адресов новая версия IP позволяет снизить затраты на маршрутизацию. Произошли и чисто внешние изменения разработчики стандарта предложили использовать вместо десятичной шестиадцатеричную форму записи IP-адреса. Каждые четыре шестнадцатеричные цифры отделяются друг от друга двоеточием. Вот как, например, может выглядеть адрес IPv6: FEDC:0A98:0:0:0:0:7654:3210 (24-е шестиадцатеричных цифры ). Главной целью изменения системы адресации было не механическое увеличение адресного пространства, а повышение эффективности работы стека TCP/IP в целом

41 Формат IP-пакета Ver 6 Если в адресе имеется длинная последовательность нулей, то запись адреса можно сократить. Например, приведенный выше адрес можно записать и так: FEDC:0A98::7654:3210. Сокращение в виде двух двоеточий (::) может употребляться в адресе только один раз. Можно также опускать незначащие нули в начале каждого поля адреса, например, вместо FEDC:0A98::7654:3210 можно писать FEDC:A98::7654:3210. Для сетей, поддерживающих обе версии протокола (IPv4 и IPv6), разрешается использовать для младших 4 байт традиционную для IPv4 десятичную запись: 0:0:0:0:0:FFFF: или ::FFFF: В новой версии IPv6 предусмотрено три основных типа адресов: индивидуальные адреса, групповые адреса и адреса произвольной рассылки. Тип адреса определяется значением нескольких старших битов адреса, которые названы префиксом формата.

42 Формат IP-пакета Ver 6 Типы адресов Индивидуальный адрес (unicast) определяет уникальный идентификатор отдельного интерфейса конечного узла или маршрутизатора. Назначение адреса этого типа совпадает с назначением уникальных адресов в версии IPv4 с их помощью пакеты доставляются определенному интерфейсу узла назначения. В версии IPv6, в отличие от версии IPv4, отсутствует понятие класса сети (А, В, С и D) и связанное с ним фиксированное разбиение адреса на номер сети и номер узла по границам байтов. Индивидуальные адреса делятся на несколько подтипов для отражения специфики некоторых часто встречающихся в современных сетях ситуаций. Групповой адрес (multicast) IPv6 аналогичен по назначению групповому адресу IPv4. Он идентифицирует группу интерфейсов, относящихся, как правило, к разным узлам. Пакет с таким адресом доставляется всем интерфейсам с этим адресом. Групповые адреса используются в IPv6 для замены Широковещательных адресов для этого вводится адрес особой группы, объединяющей все интерфейсы подсети.

43 Формат IP-пакета Ver 6 Типы адресов (продолжение) Адрес произвольной рассылки (anycast) это новый тип адреса, который так же. как и групповой адрес, определяет группу интерфейсов. Однако пакет с таким адресом доставляется любому из интерфейсов группы, как правило, «ближайшему» в соответствии с метрикой, используемой протоколами маршрутизации. Синтаксически адрес произвольной рассылки ничем не отличается от индивидуального адреса и назначается из того же диапазона адресов. Адрес произвольной рассылки может быть назначен только интерфейсам маршрутизатора. Интерфейсы маршрутизаторов, входящие в одну группу произвольной рассылки, имеют индивидуальные адреса и, кроме того, общий адрес группы произвольной рассылки. Адреса такого типа ориентированы на маршрутизацию от источника, при которой маршрут прохождения пакета определяется узлом- отправителем путем указания IP-адресов всех промежуточных маршрутизаторов.

44 Формат IP-пакета Ver 6 Например, поставщик услуг может присвоить всем своим маршрутизаторам один и тот же адрес произвольной рассылки и сообщить его абонентам. Если абонент желает, чтобы его пакеты передавались через сеть этого поставщика услуг, то ему достаточно указать этот адрес в цепочке адресов маршрута от источника, и пакет будет передан через ближайший маршрутизатор данного поставщика услуг. Так же как и в IPv4, в IPv6 имеются так называемые частные адреса, предназначенные для использования в автономных сетях. В отличие от версии IPv4 в версии IPv6 эти адреса представлены двумя разновидностями: –Адреса локальных сетей, не разделенных на подсети, содержат только 64-разрядное поле идентификатора интерфейса, а остальные разряды, кроме префикса формата, должны быть нулевыми, поскольку потребность в номере подсети здесь отсутствует. –Адреса локальных сетей, разделенных на подсети, содержат по сравнению с предыдущими адресами дополнительное двухбайтовое поле номера подсети.

45 Формат IP-пакета Ver 6 Основным подтипом индивидуального адреса является глобальный агрегируемый уникальный адрес. Такие адреса могут агрегироваться для упрощения маршрутизации. В отличие от уникальных адресов узлов версии IPv4, которые состоят из двух полей номера сети и номера узла, глобальные агрегируемые уникальные адреса IPv6 имеют более сложную структуру, включающую шесть полей (рис ). Рис Структура глобального агрегируемого уникального адреса в пакете IPv Префикс формата (FP) Агрегирован ие верхнего уровня (TLA) Агрегирование следующего уровня (NLA) Агрегирование местного уровня (SLA) Идентификатор интерфейса (Interface ID)

46 Формат IP-пакета Ver 6 Префикс формата (Format Prefix, FP) для этого типа адресов имеет размер три бита и значение 001. Следующие три поля агрегирования верхнего (Top-Level Aggregation, TLA), следующего (Next-Level Aggregation, NLA) и местного (Site-Level Aggregation, SLA) уровней описывают три уровня идентификации сетей. Поле TLA предназначено для идентификации сетей самых крупных поставщиков услуг. Конкретное значение этого поля представляет собой общую часть адресов, которыми располагает данный поставщик услуг. Сравнительно небольшое количество разрядов, отведенных под это поле (13). выбрано специально для ограничения размера таблиц маршрутизации в магистральных маршрутизаторах самого верхнего уровня Интернета. Это поле позволяет перенумеровать 8196 сетей поставщиков услуг верхнего уровня, а значит, число записей, описывающих маршруты между этими сетями, также будет ограничено значением 8196, что ускорит работу магистральных маршрутизаторов. Следующие 8 разрядов зарезервированы на будущее для расширения при необходимости поля TLA.

47 Формат IP-пакета Ver 6 Поле NLA предназначено для нумерации сетей средних и мелких поставщиков услуг. Значительный размер поля NLA позволяет путем агрегирования адресов отразить многоуровневую иерархию поставщиков услуг. Поле SLA предназначено для адресации подсетей отдельного абонента, например подсетей одной корпоративной сети. Предполагается, что поставщик услуг назначает некоторому предприятию номер его сети, состоящий из фиксированного значения полей TLA и NLA. которые в совокупности являются аналогом номера сети версии IPv4. Остальная часть адреса поля SLA и идентификатор интерфейса поступает в распоряжение администратора корпоративной сети, который полностью берет на себя формирование адреса и не должен согласовывать этот процесс с поставщиком услуг. Причем поле идентификатора интерфейса имеет вполне определенное назначение оно должно хранить физический адрес узла. На этом уровне также можно агрегировать адреса небольших подсетей в более крупные подсети, и размер поля SLA в 16 бит обеспечивает достаточную свободу и гибкость построения внутри­корпоративной иерархии адресов.

48 Формат IP-пакета Ver 6 Идентификатор интерфейса является аналогом номера узла в IPv4. Отличием версии IPv6 является то, что в общем случае идентификатор интерфейса просто совпадает с его локальным (аппаратным) адресом, а не представляет собой произвольно назначенный администратором номер узла. Идентификатор интерфейса имеет длину 64 бита, что позволяет поместить туда МАС-адрес (48 бит), адрес Х.25 (до 60 бит), адрес конечного узла ATM (48 бит) или номер виртуального соединения ATM (до 28 бит), а также, вероятно, даст возможность использовать локальные адреса технологий, которые могут появиться в будущем. Такой подход в стиле протокола IPX делает ненужным протокол ARP, поскольку процедура отображения IP-адреса на локальный адрес становится тривиальной она сводится к простому отбрасыванию старшей части адреса. Кроме того, в большинстве случаев отпадает необходимость ручного конфигурирования конечных узлов, так как младшую часть адреса идентификатор интерфейса узел узнает от аппаратуры (сетевого адаптера и т. п.), а старшую номер подсети ему сообщает маршрутизатор.

49 Формат IP-пакета Ver 6 Пример Пусть клиент получил от поставщика услуг пул адресов IPv6, определяемый следующим префиксом: 20:0А:00:С9:74:05/48. Давайте проведем анализ этого числа. Поскольку его первые 3 бита равны 001, следовательно, это глобальный агрегируемый уникальный адрес (рис ). Очевидно, что при таком изобилии сетей, которое предоставляется клиенту в IPv6, совершенно теряет смысл операция использования масок для разделения сетей на подсети, в то время как обратная процедура объединение подсетей приобретает особое значение. Разработчики стандартов IPv6 считают, что агрегирование адресов является основным способом эффективного использования адресного пространства в новой версии протокола IP.

50 Формат IP-пакета Ver 6 Рис Пример глобального агрегируемого адреса

51 Формат IP-пакета Ver 6 Адрес этот принадлежит поставщику услуг верхнего уровня, у которого все сети имеют префикс 20:0A/16. Он может выделить поставщику услуг второго уровня некоторый диапазон адресов с общим префиксом, образованным его собственным префиксом, а также частью поля NLA. Длина поля NLA, отводимая под префикс, определяется маской, которую поставщик услуг верхнего уровня также должен сообщить своему клиенту поставщику услуг второго уровня. Пусть в данном примере маска состоит из 32 единиц в старших разрядах, а результирующий префикс поставщика услуг второго уровня имеет вид: 20:0A:00:C9/32. В распоряжении поставщика услуг второго уровня остается 16 разрядов поля NLA для нумерации сетей своих клиентов. В качестве клиентов могут выступать поставщики услуг третьего и более низких уровней, а также конечные абоненты - предприятия и организации.

52 Формат IP-пакета Ver 6 Пусть, например, следующий байт ( ) в поле NLA поставщик услуг использовал для передачи поставщику услуг более низкого (третьего) уровня, а тот, в свою очередь, использовал последний байт поля NLA для назначения пула адресов клиенту. Таким образом, с участием поставщиков услуг трех уровней был сформирован префикс 20:ОА:00:С9:74:05/48, который получил клиент. Протокол IPv6 оставляет в полном распоряжении клиента 2 байта (поле SLA) для нумерации сетей и 8 байт (полем идентификатора интерфейса) для нумерации узлов. Имея такой огромный диапазон номеров подсетей, администратор может использовать его по-разному. Он может выбрать простую плоскую организацию своей сети, назначая каждой имеющейся подсети определенное значение из диапазона в адресов, игнорируя оставшиеся.

53 Формат IP-пакета Ver 6 В крупных сетях более эффективным способом (сокращающим размеры таблиц корпоративных маршрутизаторов) может оказаться иерархическая структуризация сети на основе агрегирования адресов. В этом случае используется та же технология CIDR, но уже не поставщиком услуг, а администратором корпоративной сети. Помимо подробно рассмотренного выше глобального агрегируемого адреса, существуют и другие разновидности индивидуального адреса. Адрес обратной петли 0:0:0:0:0:0:0:1 играет в версии IPv6 ту же роль, что и адрес в версии IPv4. Неопределенный адрес, состоящий из одних нулей, является аналогом адреса протокола IPv4. Этот адрес может появляться в IP-пакетах только в качестве адреса источника, и это означает, что пакет послан до того, как узел изучил свой IP-адрес (например, до получения его от DHCP-сервера).

54 Формат IP-пакета Ver 6 Предполагается, что довольно большое время будут сосуществовать островки Интернета, работающие по протоколу IPv6, и остальная часть Интернета, работающая на версии IPv4. Для того чтобы узлы, поддерживающие версию IPv6, могли использовать технику передачи пакетов IPv6 через сеть IPv4 в автоматическом режиме, разработан специальный подтип адресов, которые переносят IPv4- адрес в младшие 4-х байтах IPv6- адреса, а в старших 12 байтах адреса содержат нули (рис ). Такие индивидуальные адреса делают очень простой процедуру преобразования адресов между двумя версиями протокола IP и называются IРv4-совместными IРv6-адресами.

55 Формат IP-пакета Ver 6 Рис Преобразование IPv6 в IPv4

56 Формат IP-пакета Ver 6 Для решения обратной задачи передачи IРv4-пакетов через части Интернета, работающие по протоколу IPv6, предназначен IРv4-отображенный IPv6-aдpec. Этот тип адреса по-прежнему содержит в 4-х младших байтах IРv4- адрес, и в старших 10-ти байтах нули, а в 5-м и 6-м байтах IРv6-адреса единицы, которые показывают, что узел поддерживает только 4-ю версию протокола IP (рис ). Работа по детализации подтипов IРv6-адресов еще далека от завершения. Сегодня определено назначение только 15 % адресного пространства IPv6, а оставшаяся часть адресов еще ждет своей очереди, чтобы найти применение для решения одной из многочисленных проблем Интернета.

57 Формат IP-пакета Ver 6 Рис Преобразование IPv4 в IPv6

58 Формат IP-пакета Ver 6 Гибкий формат заголовка Одной из основных целей изменения формата заголовка в IPv6 было снижение накладных расходов, то есть уменьшение объема служебной информации, передаваемой с каждым пакетом. Для этого в новом протоколе IP были введены понятия основного и дополнительного заголовков. Основной заголовок присутствует всегда, а дополнительные являются опциональными. Дополнительные заголовки могут содержать, например, информацию о фрагментации исходного пакета, полный маршрут следования пакета при маршрутизации от источника, информацию, необходимую для зашиты передаваемых данных. Основной заголовок имеет фиксированную длину в 40 байт, его формат показан на рис Поле следующего заголовка соответствует по назначению полю протокола в версии IPv4 и определяет тип заголовка, который следует за данным. Каждый следующий дополнительный заголовок также содержит поле следующего заголовка. Если IP-пакет не содержит дополнительных заголовков, то в этом поле будет значение, закрепленное за протоколом TCP, UDP. RIP, OSPF или другим, определенным в стандарте IPv4.

59 Формат IP-пакета Ver 6 В предложениях по поводу протокола IPv6 фигурируют пока следующие типы дополнительных заголовков: заголовок маршрутизации указание полного маршрута при маршрутизации от источника; заголовок фрагментации информация, относящаяся к фрагментации IP-пакета (поле обрабатывается только в конечных узлах); заголовок аутентификации информация, необходимая для аутентификации конечных узлов и обеспечения целостности содержимого IP-пакетов; заголовок системы безопасности информация, необходимая для обеспечения конфиденциальности передаваемых данных путем шифрования и дешифрирования; специальные параметры параметры, необходимые для последовательной обработки пакетов на каждом ретрансляционном участке; параметры получателя дополнительная информация для узла назначения

60 Формат IP-пакета Ver 6 Рис Формат основного заголовка

61 Формат IP-пакета Ver 6 Таким образом, IP-пакет может иметь, например, формат, показанный на рис Рис Структура пакета IPv6 Основной заголовок IPv6 Заголовок маршрутизации Routing Заголовок фрагментации Fragmentation Заголовок аутентификации Authentication Заголовок системы безопасности Encapsulation Дополнительные данные для узла получения Destination Options Пакет протокола верхнего уровня

62 Формат IP-пакета Ver 6 Поскольку для маршрутизации пакета обязательным является только основной заголовок (почти все дополнительные заголовки обрабатываются только в конечных узлах), это снижает нагрузку на маршрутизаторы. С другой стороны, возможность использования большого количества дополнительных параметров расширяет функциональность протокола IP и делает его открытым для внедрения новых механизмов. Снижение нагрузки на маршрутизаторы Для того чтобы повысить производительность маршрутизаторов Интернета в части выполнения их основной функции продвижения пакетов, в версии IPv6 предпринят ряд мер по освобождению маршрутизаторов от некоторых вспомогательных задач.

63 Формат IP-пакета Ver 6 Перенесение функций фрагментации с маршрутизаторов на конечные узлы. Конечные узлы в версии IPv6 обязаны найти минимальное значение MTU вдоль всего пути, соединяющего исходный узел с узлом назначения (эта техника под названием Path MTU Discovery уже используется в IPv4). Маршрутизаторы IPv6 не выполняют фрагментацию, а только посылают ICMP- сообщение «Слишком длинный пакет» конечному узлу, который должен уменьшить размер пакета. Агрегирование адресов, ведущее к уменьшению размера адресных таблиц маршрутизаторов, а значит, к сокращению времени просмотра и обновления таблиц. При этом также сокращается служебный трафик, создаваемый протоколами маршрутизации. Широкое использование маршрутизации от источника, при которой узел-источник задает полный маршрут прохождения пакета через сети. Такая техника освобождает маршрутизаторы от необходимости просмотра адресных таблиц при выборе следующего маршрутизатора.

64 Формат IP-пакета Ver 6 Отказ от обработки не обязательных параметров заголовка. Использование в качестве номера узла его МАС-адреса, что избавляет маршрутизаторы от необходимости применять протокол ARP. Новая версия протокола IP, являющаяся составной частью проекта IPv6, предлагает встроенные средства защиты данных. Размещение средств защиты на сетевом уровне делает их прозрачными для приложений, так как между уровнем IP и приложением всегда будет работать протокол транспортного уровня. Приложения переписывать при этом не придется. Новая версия протокола IP со встроенными средствами обеспечения безопасности называется IPSec (Security Internet Protocol защищенный протокол IP). Переход от версии IPv4 к версии IPv6 только начинается. Сегодня уже существуют фрагменты Интернета, в которых маршрутизаторы поддерживают обе версии протокола. Эти фрагменты объединены между собой через Интернет, образуя так называемую магистраль 6Bone

65 Формат IP-пакета Ver 6 Выводы Протокол IP решает задачу доставки сообщений между узлами составной сети. Поскольку он является дейтаграммным, то не дает никаких гарантий надежной доставки сообщений. 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 длины поля данных кадров (MTU). Максимальная длина IP-пакета составляет байт. Заголовок обычно имеет длину 20 байт и содержит информацию о сетевых адресах отправителя и получателя, параметры фрагментации, время жизни пакета, контрольную сумму и некоторые другие параметры. вид таблицы IP-маршрутизации зависит от конкретной реализации маршрутизатора. Несмотря на значительные внешние различия выводимых на экран таблиц, все они включают два обязательных поля, без которых невозможно выполнять маршрутизацию, это поля адресов назначения и следующего маршрутизатора.

66 Формат IP-пакета Ver 6 Записи в таблицу маршрутизации могут поступать из разных источников. Во-первых, в результате конфигурирования программное обеспечение стека TCP/IP заносит в таблицу записи о непосредственно подключенных сетях и маршрутизаторах по умолчанию, а также записи об особых адресах. Во-вторых, администратор вручную заносит записи о специфических маршрутах и о маршруте по умолчанию. В-третьих, протоколы маршрутизации автоматически за­носят в таблицу динамические записи об имеющихся маршрутах. Эффективным средством структуризации IP-сетей являются маски. Маски позволяют разделить одну сеть на несколько подсетей или объединить несколько сетей в одну более крупную сеть. Значительная роль в будущем IP-сетей отводится технологии бесклассовой междоменной маршрутизации (CIDR.), которая решает две основные задачи. Первая состоит в более экономном расходование адресного пространства, вторая в уменьшении числа записей в таблицах (одна запись может представлять множество сетей, объединенных общим префиксом).

67 Формат IP-пакета Ver 6 В начале 90-х годов стек протоколов TCP/IP столкнулся с серьезными проблемами, которые нельзя было решить без изменения формата IP-пакета и логики обработки полей заголовка IP-пакетов. В результате сообщество Интернета решило создать новую версию протокола IP (IPv6), выбрав в качестве основных целей модернизации создание масштабируемой схемы адресации; повышение пропускной способности сети за счет сокращения работ, выполняемых маршрутизаторами; предоставление гарантий качества транспортных услуг; обеспечение защиты данных, передаваемых по сети.

68 Список использованных источников В.Г. Олифер, Н.А. Олифер Компьютерные сети, 3-е издание, 2009г.