IP адресация - принцип работы

IP адресация используется посеместно. Когда вы постите в соц сетях, смотрите на Ютубе видео, или загружаете программы и не важно компьютер у вас, или смартфон - везде, для связи используется IP адресация. Давайте разберемся как она работает.

Основы IP адресации

В реальной жизни, когда вы отправляете кому-либо письмо, на конверте вы должны указать адрес получателя, а также свой адрес (адрес отправителя). Без этого писмо не найдет своего получателя и вы не сможете получить ответ на это письмо. То-же самое происходит в компьютеных сетях - для того, чтоб один компьютер отправил сообщение другому компьютеру, он должен знать адрес компьютера-получателя, а также предоставить информацию о своем адресе для получения ответа. Этот адрес, присвоенный компьютеру, называется IP адрес.

Для идентификации компьютера, или другого сетевого устройства, достаточно знать два параметра: IP адрес, и маску сети.

Например:

IP:   192.168.2.102
Netmask:   255.255.255.0

На самом деле, IP адрес 192.168.2.102 и Маска 255.255.255.0 - это всего-лишь абстракция, представление числа в десятичном, понятном человеку формате.

Компьютер видит эти числа в двоичном формате. Для хранения IPv4 адресса используется 32 битные переменные, один байт равен 8 бит -> 4 * 8 = 32 - отсюда и четверка в IPv4, то-есть это 32 битные числа, состоящие из комбинации 32 нулей и единиц.

IPv4 адрес и маска подсети для компьютера выглядит так:

Address:    11000000101010000000001001100110
Netmask:    11111111111111111111111100000000

Как вы видите, для человека эти нули и единицы мало что говорят, потому для простоты восприятия, эти последовательности нулей и единиц разделены на блоки по 8 бит, октеты:

Address:    11000000.10101000.00000010.01100110
Netmask:    11111111.11111111.11111111.00000000

Уже легче, но проблема не ушла, даже разбив 32 битное число на 4 октета ситуация с восприятием не улучшилась, человек все-таки легче всего воспринимает числа, записанные в десятичном формате.

Address:    11000000.10101000.00000010.01100110   (192.168.2.102)
Netmask:    11111111.11111111.11111111.00000000   (255.255.255.0) /24

Ну вот. это уже другое дело. Вместо 11000000101010000000001001100110 -> 192.168.2.102 результат просто превосходный. IP адрес, записанный в таком формате запоминается гораздо легче.

Обратите внимание:
Каждый из четырех октетов может принимать значение от 0 до 255 (255 = 2⁸ - 1), в двоичном эквиваленте от 00000000 до 11111111.

Если вы хотите преобразовать IP адрес, записаный в десятичной нотации в ее двоичный эквивалент, можно воспользоваться превосходным инструментом IPCalc, но для понимания сути процесса, давайте рассмотрим ниже приведенную таблицу.

Возьмем выше упомянутый IP адрес 192.168.2.102

Каждый из четырех октетов может состоять только из суммы чисел первой колонки, или второй колонки таблицы, только для десятичных чисел используется обычная арифметрика, а для двоичных логическая, побитовое И. Например, для получения октета со значением 192, нужно к 128 прибавить 64, или 10000000 & 01000000 = 1100000. Оба числа, 192 и 11000000 идентичны, только записаны в различных системах счисления.

Обратите внимание: При побитовом И, если оба бита равны 1 - результат будет 1, в противном случае результат будет 0.

Также само вычисляется 168 - это сумма 128 + 32 + 8 и так далее.

Если просуммировать все числа первой колонки, получится число 255, в двоичном эквиваленте 11111111.
128 + 64 + 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1 = 255

256 - это будет следующий, девятый разряд. 00000001 00000000

1. Определяем из суммы каких чисел состоят октеты нашего IP адреса:
   • Первый октет: 128 + 64 = 192
     10000000 & 01000000 = 11000000
   • Второй октет: 128 + 32 + 8 = 168
     10000000 & 00100000 & 00001000 = 10101000
   • Третий октет: 2 не требуется суммировать
     00000010
   • Четвертый октет: 64 + 32 + 4 + 2 = 102
     01000000 & 00100000 & 00000100 & 00000010 = 01100110
2. Записываем октеты IP адреса в двоичном формате: 11000000.10101000.00000010.01100110.

Обратите внимание, что каждый октет обязательно должен состоять из восьми цифр. Если у вас получилоь число меньше чем нужно, недостающие символы заполните нулями слева. Например, число 2 = 10, но записываем мы 00000010.

Маска подсети

С IP адресом более-менее разобрались, теперь давайте разберемся что такое маска подсети.
Маска подсети, это 32 битное число, благодаря которому можно определить какая часть IP адреса содержит адрес сети, а какая адрес хоста внутри той самой сети.

При рассмотрении IP адреса мы уже встречались с маской и знаем, что для компьютера она выглядит как-то так: 11111111111111111111111100000000, но для лучшего восприятия ее записывают в десятичной нотации:
255.255.255.0, или через косую черту после IP адреса 192.168.2.102/24.

Для того, чтоб определить адрес подсети, следует произвестии побитовое И маски подсети и IP адреса:

Address:   192.168.2.102         11000000.10101000.00000010.01100110
Netmask:   255.255.255.0 = 24    11111111.11111111.11111111.00000000
Network:   192.168.2.0/24        11000000.10101000.00000010.00000000

В приведенном выше примере первые три октета определяют адрес сети, а четвертый октет - определяет адрес хоста внутри этой сети, но в реальной жизни маска подсети может иметь не 24 бит, а, например 25, или другую длину.

Например, если маска равна 25 бит, адрес сети будет

Address:   192.168.2.102         11000000.10101000.00000010.01100110
Netmask:   255.255.255.128 = 25  11111111.11111111.11111111.10000000
Network:   192.168.2.0/25        11000000.10101000.00000010.00000000

Обратите внимание, что для хоста 192.168.2.102, для обоих масок подсетей(/24 и /25), адрес подсети у нас получился одинаковый 192.168.2.0. Получилось это потому, что учеличив длину маски на 1, мы разделили подсеть 192.168.2.0/24 на 2 части, в результате получив две подсети 192.168.2.0/25 и 192.168.2.128/25. Соответственно, хост с адресом 192.168.2.102 попал в подсеть 192.168.2.0/25.

192.168.2.0/24 = 192.168.2.0/25 + 192.168.2.128/25

Если мы возьмем IP адрес 192.168.2.230, то для него уже адрес подсети будет 192.168.2.128/25:

Address:   192.168.2.230         11000000.10101000.00000010.11100110
Netmask:   255.255.255.128 = 25  11111111.11111111.11111111.10000000
Network:   192.168.2.128/25      11000000.10101000.00000010.10000000

Путем сравнения IP адресов и масок подсетей хостов мы можем определить, находятся-ли эти хосты внутри одной сети.

Рассмотрим пример:
Компьютеру 1 нужно отправить сообщение компьютеру 2 и компьютеру 3.

компьютер 1 имеет IP адрес 192.168.2.102 и маску подсети 255.255.255.0
компьютер 2 имеет IP адрес 192.168.2.103
компьютер 3 имеет IP адрес 192.168.3.104
    
компьютер 1 производит побитовое И своего IP адреса и маски подсети.

Address1:   192.168.2.102         11000000.10101000.00000010.01100110
Netmask1:   255.255.255.0 = 24    11111111.11111111.11111111.00000000
Network1:   192.168.2.0/24        11000000.10101000.00000010.00000000

компьютер 1 производит побитовое И IP адреса компьютера 2 и своей маски подсети.

Address2:   192.168.2.103         11000000.10101000.00000010.01100111
Netmask1:   255.255.255.0 = 24    11111111.11111111.11111111.00000000
Network2:   192.168.2.0/24        11000000.10101000.00000010.00000000

компьютер1 производит побитовое И IP адреса компьютера 3 и своей маски подсети.

Address3:   192.168.3.104         11000000.10101000.00000011.01101000
Netmask1:   255.255.255.0 = 24    11111111.11111111.11111111.00000000
Network3:   192.168.3.0/24        11000000.10101000.00000011.00000000

Результат побитового И одинаков для 1 и 2 компьютеров и отличается для 3 компьютера:

Network1:   192.168.2.0/24        11000000.10101000.00000010.00000000
Network2:   192.168.2.0/24        11000000.10101000.00000010.00000000
Network3:   192.168.3.0/24        11000000.10101000.00000011.00000000

Это означает, что 2 хост находятся в пределах одной сети для хоста 1, а третий хост находится за пределами сети, к которой относятся хост 1.

Если компьютер не принадлежит данной сети, пакет невозможно отправить напрямую, а отправляется на маршрутизатор, что выводит нас на следующий этап данной статьи - маршрутизация.

Маршрутизация

В примере выше, был рассмотрен случай, когда компьютеры находятся как в пределах одной сети, так и в разных сетях. Если компьютеры находятся в пределах одной сети, это означает, что эти компьютеры могут передавать информацию непосредственно между собой, как говорится из рук в руки. Если-же компьютеры находятся в различных сетях, для передачи данных между ними потребуется маршрутизатор, в простонародье называемый роутером.

Роутером называется сетевое устройство, котрое имеет два, или более сетевых интерфейса, каждому из которых присвоен уникальный IP адрес и принадлежат эти адреса к разным подсетям. На уровне операционной системы роутера запущена служба, которая при заходе на один из сетевых интерфесов IP пакета, производит его анализ и принимает решение куда передавать пакет дальше, выбирает маршрут.

В случае с домашним роутером, вариантов не много - он просто передает пакеты дальше на маршрутизатор провайдера, где IP пакет опять анализируется и так далее до тех пор, пока ваш IP пакет не достигнет цели.

Небольшое отступление. Практически у каждого из нас есть смартфон, работающий под управлением Android, или IOS. Каждый смартфон можно в один клик сделать роутером - достаточно включить на телефоне Точку доступа WiFi. Так-же, ваш домашний компьютер тоже может стать роутером!  Для этого достаточно в компьютер добавить еще один, или несколько сетевых адаптеров, а на уровне системы сделать несколько телодвижений для включения маршрутизации. В рамках данной статьи я этого не покажу, но имейте в виду, что практически каждое сетевое устройство может быть роутером.

Примечание:
Маршрутизатор зовется Роутером потому, что все устройства на пути передаваемого пакета являются частью маршрута, а маршрут по английски переводится route, соответственно маршрутизатор называют роутер.

Самый простой и самый распространенный случай, это когда сетевому устройству доступен один маршрутизатор - у каждого дома стоит WiFi роутер, через который доступ в интернет имеют все домашние устройства.

Примечание:
В редких случаях можно встретить случаи использования нескольких роутеров, но это больше исключение, чем правило. Где может понадобиться несколько роутеров? Например у вас дома заходит интернет от нескольких провайдеров и вы не имеете продвинутого роутера, имеющего два, или более внешних интерфейса. В этом случае каждый роутер имеет выход в интернет через отдельный канал связи, а внутренними интерфейсами оба маршрутизатора смотрят в общую домашнюю сеть.

Итак, компьютер определил, что для отправки пакета требуется передать данные в другую сеть. Для этого, в настройках IP параметров каждого компьютера предусмотрен дополнительный параметр - IP адрес шлюза по умолчанию. Шлюз по умолчанию, это и есть роутер, который будет передавать IP пакеты сетевым устройствам, которые находятся за пределами вашей локальной сети.

Классы IP адресов

Исторически сложилось, что провайдерам выделялись IP адреса классами, которых всего три:

Резервированные диапазоны IP адресов

Вы наверное заметили, что диапазон адресов 127.x.x.x не вошел ни в один из классов. Данный диапазон зарезервирован под использование в интерфейсе обратной петли (loopback). Адреса из данного диапазона всегда укаызвают на локальный компьютер.

Диапазон адресов 169.254.0.x также зарезервирован под нужды APIPA.

Диапазоны частных IP адресов

До недавнего времени проблема с нехваткой IP адресов была не так актуальна как сейчас. Сейчас-же для того, чтоб каждое сетевое устройство организации подключить к интернет большое расторчительство, поэтому домашние сети и организации любого размера предпочитают использовать NAT. Для этой цели IANA решила зарезервировать по одной сети из каждого класса:

• 10.0.0.1 – 10.255.255.254 из класса A
• 172.16.0.1 – 172.31.255.254 из класса B
• 192.168.0.1 – 192.168.255.254 из класса C

Вместо того, чтоб присваивать каждому устройству, подключающемуся к итернет реальный айпи адрес, провайдер выделяет только один рельный айпи адрес для маршрутизатора, через который компьютеры локальной сети выходят в интернет, а компьютерам локальной сети присваиваются айпи адреса из диапазонов, который наиболее подходят под нужды конкретной локальной сети. Затем, маршрутизатор подменяет адрес локальной сети у пакетов, отправляемых в интернет и возвращает адрес локальной сети пакетам, возвращающимся из интернет.

Обратите внимание:
В большинстве случаев внешний IP адрес вашего маршрутизатора назначается DHCP сервером провайдера динамически, поэтому он со временем может изменяться. Для того, чтоб IP адрес не изменялся - нужно у провайдера заказать услугу статический айпи адрес.