План-конспект урока по теме Протоколу IP стека TCP-IP и маршрутизации в Интернете

Этапы урока

Содержание этапов урока

1. Организационный момент.

Цели для преподавателя:

- создать условия для возникновения у обучающихся внутренней потребности включения в учебную деятельность;

- способствовать повышению мотивации учения.

Цели для обучающихся:

- включиться в учебную деятельность;

- подготовиться к восприятию нового учебного материала.

Цели этапа занятия достигаются посредством:

-объявления темы занятия и постановки общих целей;

- разъяснения роли изучаемого содержания в процессе формирования конкретных общих и профессиональных компетенций;

- раскрытия значения изучаемого содержания для будущей профессиональной деятельности;

1. Вводный инструктаж

1.1. Проверка наличия обучающихся. Повторение техники безопасности в кабинете информатики.

Начинаем занятие. Отметим отсутствующих на занятие и проверим вашу готовность к занятию на наличие тетрадей.

1.2. Целевая установка на урок.

Сегодня у нас новая тема «Протоколу IP стека TCP/IP и маршрутизации в Интернете. Протоколы маршрутизации RIP и OSPF. Подробно рассматриваются проблемы адресации в сетях IPv4 и перспективы внедрения IPv6», запишите тему занятия в тетрадях.

Обучающиеся записывают тему занятия.

Эта тема имеет большое профессиональное значение. Она направлена на формирование такой компетенции как «организовывать собственную деятельность выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество».

2. Изучение нового учебного материала (способов действий).

Цели для преподавателя:

- обеспечить понимание планируемого результата деятельности, основных путей его достижения;

-способствовать развитию познавательных способностей обучающихся, посредством организации самостоятельной работы.

Цели для обучающихся:

- рассмотреть протокол IP стека TCP/IP

- рассмотреть маршрутизацию в Интернете

- рассмотреть протоколы маршрутизации RIP и OSPF

- рассмотреть проблемы адресации в сетях IPv4 и перспективы внедрения IPv6Цели этапа занятия достигаются посредством:

- обеспечения понимания планируемого результата деятельности, основных путей его достижения;

- определения критериев, позволяющих обучающимся самостоятельно определять степень достижения запланированного результата;

- организации активной самостоятельной деятельности обучающихся по написанию лекции во время занятия.

2. Теоретическая часть.

Интернет представляет собой объединение подсетей, которые называются автономными системами. Автономные системы – это подсеть, охватывающая единую территорию, находящаяся под единым административным управлением и имеющая единую политику маршрутизации по отношению ко всем остальным сетям. В Интернете нет какой-либо регулярной, специально предусмотренной структуры подсетей. Он образован из соединения большого числа подсетей, среди которых можно выделить несколько остовых (backbone). К этим остовым сетям подключены региональные сети, к которым подключены локальные сети организаций. На рисунке 5-43 показана схема соединения таких остовых сетей.
Соединяет все автономные системы вместе IP-протокол. В отличие от других протоколов сетевого уровня, этот протокол с самого начала создавался для объединения сетей. Его целью было наилучшим образом передавать дейтаграммы от одной машины к другой, где бы эти машины ни находились.
Как мы уже отмечали, подсеть в Интернете реализует сервис без соединений и работает следующим образом. Транспортный уровень получает поток данных и делит их на дейтаграммы. Дейтаграммы могут быть от 64К до 1500 байт. Они передаются через подсети в Интернет и, если необходимо, делятся на более короткие. Когда все дейтаграммы достигают места назначения, они собираются в исходные дейтаграммы на сетевом уровне и передаются на транспортный уровень, где и восстанавливается исходный поток данных. IP-протокол.

На рисунке 5-44 показан заголовок IP-пакета (дейтаграммы). Он имеет обязательную часть размером 20 байт и может быть расширен до 60. Дейтаграмму передают, начиная с поля Version.
Рисунок 5-44. Заголовок IP

• 
  Version - указывает версию протокола.

• 
  IHL - длина заголовка в 32-разрядных словах (минимум 5, максимум 15, что соответствует 60 байтам).

• Type of service - вид необходимого сервиса. Здесь возможны различные комбинации скорости и надежности: например, передача голоса, аккуратная доставка строки битов, файла и т.п.

• Identification - позволяет отличать фрагменты одной и той же дейтаграммы.

• DF – признак управления фрагментацией. Если он равен 1, то фрагментация невозможна.

• Total length - указывает общую длину дейтаграммы, включая заголовок и поле данных. Максимальная длина 65535 байт.

• Identification – указывает, какой дейтаграмме принадлежит очередной поступивший фрагмент. Все фрагменты одной дейтаграммы имеют в этом поле одно и то же значение.

• MF – содержит единицу только у последнего фрагмента дейтаграммы. Это поле позволяет отличить последний фрагмент от всех остальных.

• Fragment offset – указывает, где в дейтаграмме располагается данный фрагмент. Длина всех фрагментов, кроме последнего, должна быть кратна 8 байтам. Поскольку поле имеет 13 разрядов, то на одну дейтаграмму максимально может быть 8192 фрагментов.

• Time to live – время жизни пакета. Максимальное значение этого поля - 255, измеряется в секундах. Очень часто здесь используется счетчик скачков.

• Protocol - показывает, какому процессу на транспортном уровне передать собранную дейтаграмму (TCP, UDP и т.д.).

• Header checksum - контрольная сумма, которая охватывает только заголовок.

• Source address, Destination address – идентифицируют машину отправителя и получателя в сети.

• Options - предусмотрено для расширения возможностей протокола. Оно делится, в свою очередь, на следующие поля:

  • Security – указывает уровень секретности передаваемой информации. Маршрутизатор может на основании значения этого поля запретить определенные маршруты, например, если они пролегают через ненадежные регионы.

  • Strict source routing – здесь указан полный маршрут в виде списка IP-адресов. Это поле используется в алгоритме маршрутизации от источника, а также в критических ситуациях, например, когда таблица маршрутизации по какой-то причине оказалась испорченной.

  • Loose source routing – список маршрутизаторов, через которые фрагмент обязан пройти. Он может пройти и через другие маршрутизаторы, но данные обязательно должны принадлежать его маршруту.

  • Record route – указывает маршрутизаторам на необходимость заносить в поле свои адреса. Это позволяет проследить, как шел фрагмент.

  • Time stamp – вместе с предыдущим полем указывает маршрутизаторам на необходимость записывать не только свои адреса, но и время, когда фрагмент проходил через них. Это поле очень полезно при отладке алгоритмов маршрутизации.

IP-адресация.

Каждая машина в Интернете имеет уникальный IP-адрес. Он состоит из адреса сети и адреса машины в этой сети. Все IP-адреса имеют длину 32 разряда.
Все адреса разделяются на классы. Всего есть пять классов адресов: А, B, C, D, E. Классы A позволяет адресовать до 126 сетей по 16 миллионов машин в каждой, B - 16382 сетей по 64К машин, C - 2 миллиона сетей по 256 машин, D - предназначены для групповой передачи, Е - зарезервированы для развития. Адреса выделяет только организация NIC - Network Information Center. Несколько адресов, показанных на рисунке 5-46, имеют специальное назначение. Адрес из одних нулей используется при загрузке машины.
Рисунок 5-46. Специальные IP-адреса

Подсети.

Все машины одной сети должны иметь одинаковый номер сети в своем адресе. Это приводит к целому ряду проблем. По мере роста сети приходиться менять класс адреса. Появление новых адресов приводит к проблеме модификации таблиц маршрутизации и распространению информации о новых адресах повсюду. Перенос машины из одной сети в другую требует изменения маршрутизации. Эти изменения происходят не сразу, и пока они не будут выполнены, все сообщения пойдут по старому адресу.
Решением этих проблем является разделение сети на части, которые извне видны как единое целое, но внутри каждая часть имеет свой адрес. Эти части называются подсети. Мы уже отмечали в главе 1, что термин подсеть в Интернете имеет особый смысл. Итак, подсеть - это часть сети, невидимая извне. Изменение адреса подсети или введение новой подсети не требует обращения в NIC или изменений какой-либо глобальной базы данных.
Чтобы понять, как используется адрес подсети, надо проследить, как маршрутизатор использует IP-адрес. Есть две таблицы: некоторое количество IP-адресов вида «сеть, 0» и некоторое количество IP-адресов вида «эта_сеть, адрес машины». Первая показывает, как достичь интересующей сети. Вторая - как достичь узла внутри сети. Когда поступает IP-пакет, маршрутизатор ищет его адрес доставки в таблице маршрутизации. Если этот адрес – адрес другой сети, то пакет передают дальше тому маршрутизатору, который отвечает за связь с этой сетью. Если это адрес в локальной сети, то маршрутизатор направляет пакет прямо по месту назначения. Если адреса нет в таблице, то маршрутизатор направляет пакет специально выделенному по умолчанию маршрутизатору, который должен разобраться с этим случаем с помощью более подробной таблицы. Из этого описания видно, что алгоритм маршрутизации имеет дело только с сетями или локальными машинами, а не с парами «сеть, узел». Такая организация алгоритма позволяет существенно сократить размер таблиц в маршрутизаторах.
С появлением подсети структура адресов меняется. Теперь записи в таблице имеют форму «эта_сеть, подсеть, 0» и «эта_сеть, эта_подсеть, машина». Таким образом, маршрутизатор подсети в данной локальной сети знает, как достичь любой подсети в данной локальной сети и как найти конкретную машину в своей подсети. Все что ему нужно – это знать маску подсети. С помощью логической операции «&» маршрутизатор выделяет адрес подсети с помощью маски, показанной на рисунке 5-47. По своим таблицам он определяет, как достичь нужной подсети или (если это локальная подсеть данного маршрутизатора) как достичь конкретной машины.
Протоколы управления межсетевым взаимодействием.

В Интернете, кроме IP-протокола, который используется для передачи данных, есть несколько протоколов управления, используемых на сетевом уровне, таких как ICMP, ARP, RARP, BOOTP, которые мы рассмотрим последовательно.

Internet Control Message Protocol. Управление функционированием Интернета происходит через маршрутизаторы с помощью протокола ICMP (RFC 792). Этот протокол обеспечивает доставку сообщений любой машине, имеющей IP-адрес (хосту), от маршрутизаторов и других хостов в сети. Этот протокол обеспечивает обратную связь при возникновении проблем при передаче. Он выявляет и рассылает сообщения о десятках событий, наиболее важные из них показаны в таблице 5-48.

Таблица 5-48. Основные типы сообщений ICMP

Протокол ICMP использует протокол IP и доставка его дейтаграмм не более надежна, чем любой IP-дейтаграммы в сети. Сообщение destination unreachable покрывает множество случаев: от случая, когда маршрутизатор не знает, как достигнуть нужной подсети или хоста, до случая, когда дейтаграмма при доставке должна быть фрагментирована, но установлен флаг, который запрещает это делать.
Сообщение time exceeded посылает маршрутизатор, если он обнаружил дейтаграмму с истекшим времени жизни. Хост генерирует такое сообщение, если он не успел завершить сборку дейтаграммы до истечения времени ее жизни.
Синтаксические или семантические ошибки в заголовке IP-дейтаграммы вызывают появление сообщения parameter problem.
Сообщение source quench обеспечивает средство управления потоком. Маршрутизатор или хост-получатель высылает этот пакет хосту-отправителю, если необходимо понизить скорость передачи. Сообщения этого типа будут генерироваться до тех пор, пока скорость поступления дейтаграмм от отправителя не достигнет нужной хосту-получателю величины. Это сообщение система может использовать для предотвращения перегрузки. Оно возникает всякий раз, когда маршрутизатор вынужден сбросить дейтаграмму из-за переполнения своего буфера.
Сообщение redirect позволяет маршрутизатору отправить рекомендацию о лучшем маршруте и впредь посылать дейтаграммы с определенным адресом через другой маршрутизатор.
Сообщения echo request и echo reply обеспечивают механизм проверки работоспособности объектов в сети. Получатель сообщения echo request обязан ответить сообщением echo reply, причем с теми же параметрами, что и в echo request.
Сообщения timestamp request и timestamp reply обеспечивают механизм для измерения и изменения параметров временной задержки в Интернете. Этот механизм необходим, например, для работы алгоритма маршрутизации по состоянию канала.

Address Resolution Protocol – протокол определения адреса. Хотя каждая машина в Интернете имеет уникальный IP адрес, и даже не один, но при передаче пакета через сеть от этого мало пользы, так как канальный уровень не понимает IP адресов. Как правило, машина подключена к ЛВС через сетевую карту, которая понимает только ЛВС адреса канального уровня, например, Ethernet-адрес. Этот адрес имеет 48 разрядов. Сетевая карта знает только такие адреса и ничего об 32-разрядных IP.

Как отобразить 32-разрядный IP-адрес в адреса канального уровня, например, Ethernet-адрес? Для объяснения воспользуемся рисунком 5-49.
Рисунок 5-49. Три объединенных сети класса С: две Ethernet-сети и кольцо FDDI

Когда машина 1 посылает сообщение машине 2, то через DNS (Domain Name Service – службу имен домена – это приложение мы будем рассматривать в главе 7) определяется IP-адрес места назначения. Далее, для отображения IP-адреса в Ethernet-адрес, в подсеть посылается запрос, у кого такой IP-адрес. Машина с указанным адресом шлет ответ. Протокол, который реализует рассылку запросов и сбор ответов - ARP-протокол. Практически каждая машина в Интернете использует этот протокол.
Теперь рассмотрим случай, когда обращение идет в другую сеть. Здесь два решения - есть определенный маршрутизатор, который принимает все сообщения, адресованные определенной сети или группе адресов - proxy ARP. Этот маршрутизатор знает, как найти адресуемую машину. Другое решение - выделенный маршрутизатор, который управляет маршрутизацией удаленного трафика. Машина определяет, что обращение идет в удаленную сеть, и шлет сообщение на этот маршрутизатор.

Reverse Address Resolution Protocol (RARP) – обратный протокол определения адреса. Иногда возникает обратная проблема - известен Ethernet-адрес, но какой IP-адрес ему соответствует? Эта проблема возникает, например, при удаленной загрузке бездисковой станции. Как эта станция определит свой и соседние IP-адреса?

Станция посылает запрос к RARP-серверу: "Мой Ethernet-адрес такой то, кто знает соответствующий IP-адрес?" RARP-сервер отлавливает такие запросы и шлет ответ.
У этого протокола есть один существенный недостаток – пакеты с одним и тем же запросом рассылаются всем, что увеличивает накладные расходы. Для устранения этого недостатка был предложен протокол BOOTP. В отличие от RARP, BOOTP использует UDP-сообщения, которые рассылаются только маршрутизаторам. Этот протокол также используется в бездисковых станциях, у которых в памяти прошит IP-адрес выделенного маршрутизатора.

IPv6.

Появление новой версии протокола IP (IPv6, в настоящее время используется IPv4) обусловлено целым рядом причин. Одна из основных - стремительный рост всемирной сети Интернет. Фундаментальным принципом построения сетей на основе протокола IP, необходимым для правильной маршрутизации и доставки пакетов, является уникальность сетевых адресов, т.е. каждый IP-адрес может принадлежать только одному устройству. На сегодняшний день остались невыделенными около 1 400 000 000 адресов из возможных 4 294 967 296, то есть примерно 30%, чего должно хватить на несколько лет, а может быть и более. Дефицит адресов пока выражается в основном в том, что, по выражению одного из сетевых гуру, адрес класса A не смог бы получить и сам Господь Бог. Таких адресов может существовать всего 128 (формат: 0, адрес сети - 7 бит, адрес хоста - 24 бита), но каждый из них содержит 16 777 216 адресов. Однако появившиеся в последнее время новые устройства для доступа в Интернет и развитие цифрового телевидения, которое собирается превратить каждый телевизор в интернет-устройство, могут быстро исчерпать имеющиеся запасы неиспользованных адресов.
Если в компьютерных сетях для выхода в Интернет могут применяться технологии типа NAT (Network Address Translation, — преобразование сетевого адреса), при которой для взаимодействия с окружающей средой используется всего несколько уникальных адресов, предоставляемых, возможно, провайдером, а внутри локальной сети адресация может быть достаточно произвольной, то для сетевого телевизора этот способ не подходит, так как каждому устройству требуется свой уникальный адрес.
Кроме всего прочего, новые возможности предъявляют к протоколам сетевого уровня, каковым является IP, совершенно новые требования в части легкости получения и смены адресов, полностью автоматического конфигурирования (представьте себе домохозяйку, настраивающую DNS своего телевизора). Если новый протокол не появится своевременно, то фирмы-провайдеры начнут внедрять свои собственные, что может привести к невозможности гарантированного соединения «всех со всеми». Открытый протокол, удовлетворяющий требованиям необходимого адресного пространства, легкости конфигурирования и маршрутизации, способный работать совместно с имеющимся IPv4, поможет сохранить способность к соединению между собой любых устройств, поддерживающих IP, при наличии новых возможностей, которые основаны на анализе использования IPv4.
Кроме того, остается еще одна проблема: уникальность адреса вовсе не означает, что устройство будет правильно функционировать. Адреса нужны в первую очередь не для того, чтобы «всех пересчитать», а для правильной маршрутизации при доставке пакетов. Таким образом, для беспрепятственного роста Интернета необходимо не только наличие свободных адресов, но и определенная методика их выделения, позволяющая решить проблему масштабируемости. Сведение к минимуму накладных расходов на маршрутизацию является сегодня одной из основных проблем, и ее важность будет возрастать в дальнейшем по мере роста Сети. Просто присвоить устройству адрес недостаточно, необходимо еще обеспечить условия для правильной маршрутизации с минимальными накладными расходами.
В настоящее время только одна известная технология, а именно, иерархическая маршрутизация, позволяет за счет приемлемых технических издержек обеспечить доставку пакетов в сети размерами с Интернет. Технология иерархической маршрутизации заключается в разбиении всей сети на более мелкие подсети, маршрутизация в которых производится самостоятельно. Подсети, в свою очередь, могут разбиваться на еще более мелкие, и т.д. В результате образуется древовидная структура, причем в качестве узлов выступают маршрутизаторы, а в качестве листьев - оконечные устройства-хосты. Путь, который проделывает пакет, передаваемый от одного листа до другого, может быть длиннее, чем при иной топологии, но зато он всегда может быть рассчитан с наименьшими издержками. Некоторую аналогию можно провести с телефонными номерами — первым идет код страны, за ним код города, а затем собственно номер, состоящий, в свою очередь, из кода АТС и собственно номера абонента.
История нового протокола восходит к концу 1992 года. Именно тогда IETF (Internet Engineering Task Force — рабочая группа по технической поддержке Интернет) приступила к анализу данных, необходимых для разработки нового протокола IP. К концу 1994 года был утвержден рекомендательный стандарт и разработаны все необходимые для реализации протокола вспомогательные стандарты и документы.
IPv6 является новой версией старого протокола, разработанной таким образом, чтобы обеспечить совместимость и «мягкий» переход, не приуроченный к конкретной дате и не требующий одновременных действий всех участников. По некоторым прогнозам, совместное существование двух протоколов будет продолжаться до десяти и более лет. Учитывая то обстоятельство, что среди выделенных типов адресов IPv6 имеется специальный тип адреса, эмулирующий адрес IPv4, можно ожидать относительно спокойного перехода, не сопровождающегося крупными неудобствами и неприятностями. Фактически на одном компьютере могут работать оба протокола, каждый из которых подключается по мере необходимости.
Однако использование старых адресов не является выходом из положения, поэтому протокол IPv6 предусматривает специальные возможности по присвоению новых адресов и их замене без вмешательства (или при минимальном вмешательстве) персонала. Для этого предусмотрена привязка к компьютеру не IP-адреса, а интерфейса. Сам же интерфейс может иметь несколько адресов, принадлежащих к трем категориям: действительный, прошлый, недействительный. При замене адреса «на лету» новый адрес становится действительным, а старый — прошлым. Все вновь осуществляемые соединения производятся при помощи действительного адреса, но уже имеющиеся продолжаются по прошлому адресу. Через некоторое время, которое может быть выбрано достаточно большим, чтобы гарантировать полный разрыв всех соединений по прошлому адресу, он переходит в категорию недействительных. Таким образом, практически гарантируется автоматическая замена адреса без участия персонала. Для полностью гарантированной автоматической замены адреса потребовалось бы внесение изменений в протоколы TCP и UDP, которые не входят в состав IP.
Замена адресов осуществляется двумя способами — явным и неявным. Явный способ использует соответствующим образом доработанный протокол DHCP. Неявный способ не требует наличия сервера DHCP, а использует адрес подсети, получаемый от соседей и мостов. В качестве адреса хоста используется просто MAC-адрес хоста, т.е. адрес, используемый на канальном уровне. Этот способ, при всем своем изяществе, по понятным причинам не может присваивать адреса, совместимые с IPv4, и поэтому в переходный период его применение будет ограничено. К сожалению, механизм выделения новых адресов не затрагивает таких аспектов, как обновление базы данных DNS, адресов серверов DNS, конфигурации маршрутизаторов и фильтров, а также тех приложений «клиент-сервер», которые используют привязку к адресу, что делает полную замену адресов локальной сети не менее трудоемким мероприятием, чем при применении IPv4.
Протокол IPv6 предполагает также значительные улучшения при работе в локальной сети. Единый протокол NDP (Neighbor Discovery Protocol - протокол распознавания соседей) заменяет используемые в IPv4 протоколы ARP, ICMP и значительно расширяет их функциональные возможности. Вместо широковещательных пакетов канального уровня протокола ARP используются групповые сообщения (multicast), то есть адресованные всем членам подсети, причем не на канальном, а на сетевом уровне, что должно значительно снизить широковещательный трафик, являющийся бичом локальных сетей Ethernet. Усовершенствованы функции протокола ICMP, что облегчает работу разных подсетей в одном физическом сегменте. Включен механизм распознавания неисправных маршрутизаторов, что позволяет повысить устойчивость к сбоям оборудования. В дополнение к имевшимся ранее двум типам адресации - Unicast и Multicast (доставке уникальному получателю или группе получателей) - добавлен третий, Anycast, при котором осуществляется доставка любому получателю из группы.
Существенное отличие нового протокола от старого заключается в том, что длина адресной части составляет 128 бит — в четыре раза больше, чем 32 бита у IPv4. Чтобы представить эту величину, достаточно сказать, что на каждом квадратном метре поверхности суши и моря можно разместить примерно 6,7х1023 адресов. Из заголовка пакета IP изъяты как некоторые неиспользуемые поля, что позволило сократить издержки, связанные с их обработкой, и уменьшить размер заголовка (он длиннее, чем у IPv4, всего в два раза, несмотря на учетверенный размер адресной части).
Первым идет четырехбитное поле Version (Версия), его значение равно 6. Следующее поле - Priority (Приоритет) - длиной 8 бит используется для установки приоритета пакета. Приоритет увеличивается с ростом значения этого поля. Значения 0...7 используются для пакетов, время доставки которых не лимитировано, например, значение 1 рекомендуется использовать для новостей, 2 — для почты, 7 — для служебного трафика (SNMP, маршрутизирующие протоколы). Значения 8...15 используются для пакетов, задержка доставки которых нежелательна, например аудио и видео в реальном времени. Далее следует поле Traffic Class, первоначально называвшееся «Flow Label», длиной 20 бит. Оно служит для идентификации последовательности пакетов. Его значение присваивается при помощи генератора случайных чисел и имеет одинаковую величину у всех пакетов данной последовательности. Следующее поле - Payload Length - содержит размер данных, следующих за заголовком, в байтах и имеет длину 16 бит. Следом расположено поле Next Header, идентичное по назначению полю Protocol протокола IPv4 и использующее те же значения. Восьмибитное поле Hop Limit аналогично по назначению полю Time to Live. Оно устанавливается источником согласно разумным предположениям о длине маршрута, а затем уменьшается на 1 при каждом прохождении через маршрутизатор. При снижении значения поля до нуля пакет снимается, как «заблудившийся». Последними идут поля адресов источника и приемника длиной 128 бит (16 байт) каждое. Адреса в стандарте IPv6 имеют более сложную структуру, чем в предыдущем, при этом используются префиксы разной длины.
В настоящее время для непосредственного использования предназначено около 15% адресов, остальные 85% зарезервированы для распределения в будущем.
Специальные типы адресов предназначаются для более гибкого использования. Provider-Based Unicast Address (Выделяемый провайдером уникальный адрес) служит для глобальной связи. Он состоит из префикса 010, Registry Id, идентифицирующего организацию, зарегистрировавшую провайдера; Provider Id, идентифицирующего провайдера; Subscriber Id, идентифицирующего организацию-клиента, и собственно адреса. Адреса для локального использования (Link Local Use и Site Local Use) предназначены для применения внутри одного сегмента или одной организации, т.е. пакеты с такими адресами не маршрутизируются за границы текущего сегмента или локальной сети соответственно. Они могут быть использованы, например, при автоматическом присвоении адресов. Для выхода в глобальную сеть может быть использована подстановка адресов по типу NAT. Если под заполнители-нули выделено достаточно места, то организация, ранее не имевшая соединения с Интернетом, может легко провести замену адресов на глобальные путем конкатенации REGISTRY.
ID + PROVIDER ID + SUBSCRIBER ID и локального адреса. К специальным типам адресов также относятся адреса, совместимые с IPv4. Первый тип относится к «совместимым» адресам, которые предназначены для туннелирования пакетов IPv6 через существующую инфраструктуру IPv4. Второй тип адресов отображает на IPv6 подмножество адресов IPv4 для тех устройств, которые не поддерживают новый протокол.
Широковещательный адрес благодаря использованию полей Flags и Scope может также использоваться более гибко. В четырехбитном поле Flags пока используется только младший бит для указания, является ли данный адрес постоянным и выделенным соответствующими организациями, ответственными за выдачу адресов, или используется единовременно. Поле Scope используется для ограничения области распространения широковещательных пакетов. Значения этого поля приведены в таблице 2.
Таблица 2.
0      Зарезервировано
1      Внутри узла
2      Внутри сегмента
5      Внутри локальной сети
8      Внутри организации
0Eh      Глобальная
0Fh      Зарезервировано
При рассмотрении возможностей, предоставляемых новым протоколом, может возникнуть вопрос, а зачем он все-таки нужен? Большинство функций либо уже имеются в IPv4, либо могут быть реализованы путем доработки соответствующих протоколов. Так, автоматическое выделение адресов производится при помощи протокола DHCP, адресный барьер преодолевается при помощи протокола NAT и т.д. и т.п. Однако разработка всех необходимых заплаток для протокола IPv4 потребовала бы не меньших (а то и больших) усилий, чем создание нового протокола «с чистого листа». Разумеется, лист был не совсем чистым, поскольку вопросы совместимости и совместной работы обоих протоколов имелись в виду с самого начала проектирования. В конце концов, Интернет все равно пришел бы к кризису дефицита адресов, так что заблаговременная разработка и постепенное внедрение протокола IPv6 были более чем уместны.
Для реализации перехода на новый протокол образовалась неформальная некоммерческая организация «6bone», включающая в себя более 100 организаций, в основном, сетевых провайдеров и университетов. Главная задача организации - создание инфраструктуры, позволяющей транспортировать пакеты стандарта IPv6 по всей сети Интернет. Как и существующая сегодня инфраструктура IPv4, она будет состоять из большого количества провайдеров и локальных сетей, объединенных в единую Сеть. В настоящее время в состав 6bone входят представители 41 страны, от США, Англии и Японии до Камеруна и Казахстана.
Необходимость создания такой инфраструктуры объясняется прежде всего тем, что без широкомасштабного тестирования и готовой инфраструктуры (или ее подобия) коммерческие провайдеры (и потребители, занимающиеся, в отличие от университетов, не исследованиями, а бизнесом) вряд ли будут охотно внедрять новый протокол. Таким образом, задачей сети 6bone не является организация параллельной инфраструктуры, а, скорее, тестирование и отработка методик взаимодействия «клиент-провайдер».
Сама сеть 6bone состоит из островков-сетей, которые полностью поддерживают IPv6, соединенных виртуальными туннелями. Эти сети работают на установленном у провайдеров оборудовании, которое используется и в коммерческих целях. Согласно существующему в настоящее время мнению, организация 6bone будет существовать до тех пор, пока будет актуальна ее основная цель - популяризация протокола IPv6.
OSPF - внутренний протокол маршрутизации шлюзов.

Интернет состоит из сетей, управляемых разными организациями. Каждая такая сеть использует внутри свои алгоритмы маршрутизации и управления и называется автономной системой. Наличие стандартов позволяет преодолеть различия во внутренней организации автономных систем и обеспечить их совместное функционирование. Алгоритмы маршрутизации, применяемые внутри АС, называются внутренними протоколами шлюзов. Алгоритмы маршрутизации, применяемые для маршрутизации между АС, называются внешними протоколами шлюзов.
Изначально в качестве внутреннего протокола шлюзов использовался протокол по вектору расстояния (RIP). Этот протокол работал хорошо, пока автономная система была небольшой. Однако по мере роста АС он начинал работать все хуже и хуже. Проблемы «счетчика до бесконечности» и медленная сходимость не получили удовлетворительного решения. В 1979 году он был замещен протоколом маршрутизации по состоянию каналов. В 1988 году инженерный комитет Internet принял решение о разработке нового алгоритма маршрутизации. Этот алгоритм, названный OSPF - Open Shortest Path First, стал стандартом в 1990 году (RFC 1247).
На основе имеющегося опыта был составлен длинный список требований к протоколу. Прежде всего, алгоритм должен быть опубликован в открытой литературе (отсюда «open»). Во-вторых, он не должен быть собственностью какой-либо компании. В-третьих, он должен уметь работать с разными метриками: расстоянием, пропускной способностью, задержкой и т.п. Он должен быть динамическим, т.е. реагировать на изменении в топологии сети автоматически и быстро.
В-четвертых, он должен поддерживать разные виды сервиса, поддерживать маршрутизацию для трафика в реальном времени одним способом, а для других типов трафика - другим. В IP-пакете есть поле Type of service, которое не использовалось существующими в то время протоколами.
В-пятых, он должен обеспечивать балансировку нагрузки и при необходимости разделять потоки по разным каналам. Все предыдущие протоколы использовали только один канал - наилучший.
В-шестых, он должен поддерживать иерархию. К 1988 году Интернет стал столь большим, что ни один маршрутизатор был уже не в состоянии хранить всю топологию. Поэтому новый протокол должен быть сконструирован так, чтобы по нему мог бы работать не один маршрутизатор.
В-седьмых, должна быть усилена безопасность маршрутизаторов для защиты от студентов, которые развлекались тем, что подсовывали маршрутизаторам неверную информацию о маршрутах. Наконец, надо было позаботиться о том, чтобы позволить маршрутизаторам общаться с помощью туннелирования.
OSPF поддерживает три вида соединений и сетей:

1. Точка-точка между двумя маршрутизаторами

1. Сети с множественным доступом и вещанием (большинство ЛВС)

1. Сети с множественным доступом без вещания (например, региональные сети с коммутацией пакетов)

Многие АС сами по себе представляют большие сети. OSPF позволяет разбивать их на области, где каждая область - это либо сеть, либо последовательность сетей. Области не пересекаются. Есть маршрутизаторы, которые не принадлежат никакой области. Область - обобщение понятия подсети. Вне области ее топология не видна.
Каждая АС имеет остовую область, называемую «областью 0». Все области АС соединяются с остовой, возможно через туннелирование. Поэтому можно из одной области попасть в другую через остовую область. Туннель представлен в графе дугой с весом. Любой маршрутизатор, соединенный с двумя или более областями, - часть остовой области. Как и в других областях, топология остовой области не видна извне.
Внутри области у каждого маршрутизатора одинаковая база данных состояний каналов и одинаковый алгоритм наикратчайшего пути. Задача маршрутизатора - вычислить наикратчайший путь до другого маршрутизатора этой области, включая маршрутизатор, соединенный с остовой областью. Маршрутизатор, соединенный с двумя областями, должен иметь две базы данных и выполнять два алгоритма наикратчайшего пути независимо.
Чтобы поддерживать разные типы сервисов, OSPF использует несколько графов, один с разметкой относительно задержки, другой - относительно пропускной способности, третий - относительно надежности. Хотя все три требуют соответствующих вычислений, но зато мы получаем три маршрута, оптимизированных по задержке, пропускной способности и надежности.
Во время функционирования возникают три вида маршрутов: внутри области, между областями и между АС. Внутри области вычислить маршрут просто - им будет наикратчайший до маршрутизатора получателя. Маршрутизация между областями всегда выполняется в три этапа: от источника до остовой области, от остовой до области назначения, внутри области назначения. Этот алгоритм навязывает звездообразную топологию OSPF: остовая область – центр, ось, остальные области – лучи, спицы. Пакеты маршрутизируются без изменений, как есть, за исключением случая, когда область получателя соединена с остовой областью туннелем.
OSPF различает четыре класса маршрутизаторов:

1. Внутренний, целиком внутри одной области

1. Пограничный, соединяющий несколько областей

1. Остовый, принадлежащий остовой области

1. Пограничный, соединенный с маршрутизаторами других АС

Эти классы могут пересекаться. Например, все пограничные маршрутизаторы – остовые; маршрутизатор из остовой области, но не на ее границе - внутренний. Примеры этих классов маршрутизаторов показаны на рисунке 5–51.
Когда маршрутизатор загружается, он рассылает сообщение «Hello» всем своим соседям - на линиях «точка-точка», группам маршрутизаторов в ЛВС с множественным доступом, чтобы получить информацию о своем окружении.
В OSPF маршрутизаторы обмениваются данными не со своими соседями, а со смежными маршрутизаторами. Это не одно и то же. Маршрутизатор не общается со всеми маршрутизаторами, например, внутри ЛВС, а лишь с тем, который объявлен выделенным маршрутизатором. Этот выделенный маршрутизатор смежен всем другим. У выделенного маршрутизатора есть дублер, который имеет ту же информацию, что и основной.
Периодически в ходе нормальной работы каждый маршрутизатор рассылает всем своим смежным маршрутизаторам сообщение LINK STATE UPDATE. В этом сообщении он передает информацию о состоянии своих линий и их стоимости в разных метриках для базы данных топологии соединений. Это сообщение в целях надежности идет с подтверждением. Каждое такое сообщение имеет номер, который позволяет определить, несет ли пришедшее сообщение новую информацию по сравнению с той, что есть в его базе, или старую. Маршрутизаторы рассылают эти сообщения, когда у них появляются новые линии, разрушаются старые или меняется стоимость линии.
DATABASE DESCRIPTION – сообщение, содержащее состояние всех каналов в базе данных отправителя. Сравнивая свои значения с теми, что у отправителя, получатель может определить, у кого наиболее свежая информация.
Используя сообщение LINK STATE REQUEST, маршрутизатор может в любой момент запросить информацию о любой линии у другого маршрутизатора. Наиболее свежая информация распространяется другим. Все сообщения передаются как IP-пакеты. Все типы сообщений показаны в таблице 5-52.
Таблица 5-52. Типы OSPF-сообщений

4. Задание на дом.

Цели для преподавателя:

- провести анализ и оценку успешности достижения цели урока, перспектив последующей работы;

- мобилизовать обучающихся на рефлексию результатов учебной деятельности;

- поставить цели самостоятельной работы для обучающихся (что должны сделать обучающиеся в ходе выполнения домашнего задания).

Цели для обучающихся:

- уяснить цели и содержание домашнего задания.

Цели этапа урока достигаются посредством:

- достижения открытости обучающихся в осмыслении своих действий и самооценки;

- определения для обучающихся содержания и объема домашнего задания.

4.Заключительная часть. Подведение итогов, выставление отметок.

Сегодня мы с вами: рассмотрели протокол IP стека TCP/IP, маршрутизацию в Интернете, протоколы маршрутизации RIP и OSPF, проблемы адресации в сетях IPv4 и перспективы внедрения IPv6.

Задание. К следующему занятию выучите лекцию. Составить инструкционную технологическую карту.