Skip to main content

Основы IPv4 и IPv6

Модели сетей

Компьютерные сети состоят из множества компонентов и протоколов, работающих совместно. Чтобы понять, как происходит связь между узлами, познакомимся с моделью OSI и моделью TCP/IP. Обе модели помогают визуализировать коммуникацию между узлами.

Модель OSI

Модель открытых систем OSI состоит из 7 уровней и сегодня используется как учебное пособие. Изначально она была задумана как стандартная архитектура для построения сетевых систем, но реальные сети гораздо менее строго структурированы.

  • Уровень 7 (Прикладной) — протокол, определяющий связь между сервером и клиентом, например, HTTP. Если браузер хочет загрузить изображение, протокол организует и выполняет запрос;
  • Уровень 6 (Представления) — обеспечивает получение данных в удобном формате. Здесь может происходить шифрование (например, IPSec);
  • Уровень 5 (Сеансовый) — отвечает за установку, управление и завершение сеансов между клиентом и сервером;
  • Уровень 4 (Транспортный) — отвечает за сборку и разборку потока данных, делит поток на сегменты с порядковыми номерами и инкапсулирует в протокольный заголовок (TCP, UDP и др.);
  • Уровень 3 (Сетевой) — отвечает за логическую адресацию устройств, данные инкапсулируются в IP-заголовок и называются "пакетами";
  • Уровень 2 (Канальный) — данные инкапсулируются в собственный заголовок, например Ethernet 802.3 или беспроводной 802.11, называемый "фреймом", отвечает за управление потоком данных;
  • Уровень 1 (Физический) — средства передачи данных в виде битов, электрические сигналы и аппаратные интерфейсы;

Модель TCP/IP

Модель TCP/IP выполняет ту же функцию, что и OSI, но лучше подходит для современных сетевых задач. В отличие от 7 уровней OSI, она содержит 4 уровня:

  • Прикладной (4) — объединяет прикладной, представления и сеансовый уровни OSI, упрощая диагностику;
  • Транспортный (3) — аналогичен транспортному уровню OSI (протоколы TCP, UDP);
  • Интернет (2) — аналог сетевого уровня OSI (включая протоколы ARP, IP);
  • Канальный (1) — также называется уровнем сетевого доступа, включает физический и канальный уровни OSI, отвечает за физическую передачу данных между узлами;
TCP/IPМодель OSIПротоколы
Прикладной уровеньПрикладной уровеньDNS, DHCP, HTTP, SSH и др.
—Уровень представленияJPEG, MPEG, PICT и др.
—Сеансовый уровеньPAP, SCP, ZIP и др.
Транспортный уровеньТранспортный уровеньTCP, UDP
Интернет уровеньСетевой уровеньICMP, IGMP, IPv4, IPv6, IPSec
Канальный уровеньКанальный уровеньARP, CDP, MPLS, PPP и др.
Физический уровеньФизический уровеньBluetooth, Ethernet, Wi-Fi и др.

Ethernet

Самым распространенным протоколом канального уровня (уровень 2 модели OSI) в компьютерных сетях является протокол Ethernet. Каждый узел в сети имеет уникальный адрес, называемый MAC-адресом (Media Access Control), иногда его называют "Ethernet-адресом".

MAC-адрес состоит из 48 бит и обычно задан производителем (изменить нельзя), но в последнее время широко используется настройка пользовательских MAC-адресов. RouterOS позволяет задать кастомный MAC-адрес.

Чаще всего MAC-адрес записывается в виде 6 шестнадцатеричных чисел, разделённых двоеточиями, например D4:CA:6D:01:22:96.

В RouterOS MAC-адрес отображается в конфигурации для всех шиноподобных интерфейсов (Ethernet, Wireless, 60G, VPLS и пр.).

[admin@rack1_b32_CCR1036] /interface ethernet> print
Flags: X - disabled, R - running, S - slave
# NAME    MTU MAC-ADDRESS          ARP SWITCH
0 R ether1 1500 D4:CA:6D:01:22:96 enabled
1 R ether2 1500 D4:CA:6D:01:22:97 enabled
2 R ether3 1500 D4:CA:6D:01:22:98 enabled
3 ether4 1500 D4:CA:6D:01:22:99 enabled
4 ether5 1500 D4:CA:6D:01:22:9A enabled
5 ether6 1500 D4:CA:6D:01:22:9B enabled
6 ether7 1500 D4:CA:6D:01:22:9C enabled
7 R ether8 1500 D4:CA:6D:01:22:9D enabled
8 sfp-sfpplus1 1500 D4:CA:6D:01:22:94 enabled
9 sfp-sfpplus2 1500 D4:CA:6D:01:22:95 enabled

Типы MAC-адресов

  • Unicast — адрес, отправляется всем узлам в области коллизии (например, кабелю между двумя узлами или всем приёмникам в беспроводной сети). Только узел с совпадающим MAC принимает фрейм (если не включен режим promiscuous).
  • Broadcast — адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF, принят и перенаправлен всеми узлами в сети второго уровня.
  • Multicast — адрес, принимаемый всеми узлами, настроенными на приём сообщений с данным адресом.

    1.png

IP-сетевые технологии

Протокол Ethernet подходит для передачи данных между двумя узлами в сети Ethernet, но не используется самостоятельно. Для доступа третьего уровня (сетевого) применяется протокол IP для уникальной адресации хостов.

В большинстве современных сетей используются IPv4-адреса, 32-битные, записанные в десятичном формате с точками, например, 192.168.88.1.

Сетей может быть несколько логических, чтобы определить принадлежность IP адреса к сети, используется маска сети (netmask). Маска задается числом бит, определяющих подсеть, либо десятичной записью, например, 24-битовая маска — 255.255.255.0.

Рассмотрим адрес 192.168.3.24/24:

11000000 10101000 00000011 00011000  => 192.168.3.24
11111111 11111111 11111111 00000000  => /24 или 255.255.255.0

Как видно, старшие 24 бита маскированы, оставляя диапазон адресов от 0 до 255.

Адрес с первым значением в диапазоне используется для идентификации сети (здесь 192.168.3.0), а последний — для широковещательной передачи по сети (здесь 192.168.3.255). Это оставляет диапазон 1..254 для адресации хостов — unicast-адреса.

Специальные IPv4-адреса

  • Broadcast — адрес для рассылки данных сразу всем в сети, например 255.255.255.255 для локального широковещания, или направленное широковещание к адресу сети;
  • Multicast — адреса из диапазона 224.0.0.0 до 239.255.255.255 для групповых сообщений. Отправитель посылает один пакет на адрес группы, роутеры копируют его для всех подписавшихся участников;

1.png

В логической IP-сети unicast, broadcast и multicast визуализируются по-другому.

Существуют зарезервированные адреса, например для частных сетей, которые используются только в локальной сети и обычно не маршрутизируются в Интернет:

  • 10.0.0.0/8 — 10.0.0.0 до 10.255.255.255
  • 172.16.0.0/12 — 172.16.0.0 до 172.31.255.255
  • 192.168.0.0/16 — 192.168.0.0 до 192.168.255.255

ARP и свзяь уровней

Хотя IP-пакеты адресуются IP-адресами, для физической передачи данных между хостами используются аппаратные адреса (MAC). Для сопоставления IP и MAC применяют протокол ARP (Address Resolution Protocol), описанный в RFC 826.

Каждое устройство хранит таблицу ARP. Обычно она формируется динамически, но может быть частично или полностью статической для повышения безопасности.

IPv6 избавляет от необходимости ARP.

При отправке пакета в локальной сети хост проверяет таблицу ARP для поиска MAC получателя. Если MAC отсутствует, посылается широковещательный ARP-запрос, чтобы получить MAC по IP. Хост с данным IP отвечает своим MAC.

2.jpg

Пример настройки и ARP

Добавим IP-адреса на хостахосты A, B и C:

/ip address add address=10.155.101.225 interface=ether1  (Host A)
/ip address add address=10.155.101.221 interface=ether1  (Host B)
/ip address add address=10.155.101.217 interface=ether1  (Host C)

Запустим сниффер пакетов и пинг с Host A к Host C:

/tool sniffer set file-name=arp.pcap filter-interface=ether1 start
/ping 10.155.101.217 count=1
/stop

Скачайте arp.pcap файл и откройте в Wireshark для анализа:

3.png

  • Host A посылает ARP-запрос, кто владеет 10.155.101.217]
  • Host C отвечает своим MAC-адресом]
  • Оба хоста обновляют ARP таблицы, теперь пинг успешно проходит]

В RouterOS ARP таблицу можно просмотреть командой /ip arp print]

[admin@host_a] /ip arp> print
Flags: X - disabled, I - invalid, H - DHCP, D - dynamic, P - published, C - complete
# ADDRESS         MAC-ADDRESS          INTERFACE
0 DC 10.155.101.217 08:00:27:3C:79:3A ether1

Режимы ARP

По умолчанию ARP включён на интерфейсах (Enabled), динамические записи добавляются автоматически.

Если ARP отключён (arp=disabled), роутер не отвечает на ARP-запросы клиентов, требуется настройка статической ARP записи на клиентах. Например:

/ip arp add mac-address=08:00:27:3C:79:3A address=10.155.101.217 interface=ether1

Режим reply-only означает, что роутер отвечает только на ARP-запросы. MAC соседей нужно задавать статически (через /ip arp), но не требуется добавлять MAC адрес роутера в таблицы других хостов как при отключённом ARP.

Proxy ARP

Корректно настроенный proxy ARP позволяет роутеру работать прозрачным ARP прокси между напрямую подключёнными сетями. Это позволяет, например, назначать клиентам dial-in (PPP, PPPoE, PPTP) IP адреса из той же подсети, что и LAN.

Пример:4.jpg

Host

Рассмотрим пример настройки на изображении выше. Хост A (172.16.1.2) в подсети A схочет маскойотправить пакеты хосту D (172.16.2.3) в подсети B.
У хоста A маска подсети /16, что означает, что он считает себя напрямую подключённым ко всей сети 172.16.0.0/16 (то есть к одной и той же локальной сети).
Поскольку хост A считает, что подсетьадрес включаетназначения находится в той же сети, он отправляет ARP-запрос, чтобы определить MAC-адрес хоста D.
(Если бы хост DA изпонял, что IP-адрес назначения не принадлежит его подсети, он бы отправил пакет на шлюз по умолчанию.)
Хост A рассылает ARP-запрос в подсети B. При этом Host A слать ARP запрос для IP хоста D по сети A.

Host A шлёт ARP broadcast на сети A, роутер получает запрос, понимает, что IP адрес принадлежит другой подсети, и отвечает Host A своим MAC-адресом. Host A добавляет ответ в ARP таблицу и посылает пакеты роутеру, который далее пересылает их Host D.

Proxy ARP включается на интерфейсах командой:

/interface ethernet set 1 arp=proxy-arp

Режим local-proxy-arp проксирует ARP traffic только внутри одного интерфейса (трафик на вход и выход с одного интерфейса). Это используется для реализации функций, таких как Private VLAN.

Установление и завершение TCP сессии

TCP — протокол с установлением соединения, не отправляющий данные до установления соединения. В процессе используется трёхстороннее рукопожатие (three-way handshake), устанавливающее логическое связь с контролем потока и подтверждением доставки.

  • Host A посылает SYN-пакет с начальным номером последовательности Host B.
  • Host B получает SYN и отвечает SYN-ACK.
  • Host A получает SYN-ACK и отправляет ACK.
  • Host B получает ACK — соединение установлено.

После успешной передачи данных отправитель ждёт подтверждения (ACK). При таймауте пакет пересылается повторно.

Завершение TCP соединения

Завершение соединения осуществляется четырёхсторонним обменом.

  • Host A посылает FIN, сигнализируя о завершении передачи данных.
  • Host B входит в состояние CLOSE_WAIT, посылает ACK на FIN. Если у Host B нет данных для передачи, он посылает FIN и переходит в LAST_ACK.
  • Host A получает FIN, переходит в TIME_WAIT и посылает ACK.
  • Host B получает ACK и соединение завершено.

Передача TCP сегментов (окна)

Для управления потоком данных TCP использует оконный механизм — количество байт, которые получатель готов принять, передавается в поле window в каждом TCP сегменте. Отправитель не может передать больше данных, чем указано окном, прежде чем получить подтверждение.

Если приёмник обрабатывает данные быстро, размер окна растёт, иначе уменьшается до нуля, заставляя отправителя приостановить передачу.

Иллюстрация процесса оконного управления:

  1. Host A посылает фрейм размером 1000 байт (окно=1000).
  2. Host B присылает ACK с размером окна 2000.
  3. Host A получает ACK и отправляет два фрейма по 1000 байт.
  4. Host B увеличивает окно до 3000, Host A отправляет три фрейма и ждёт подтверждения.
  5. Буфер Host B переполняется быстрее, чем данные обрабатываются, окно уменьшается до нуля — нужно ждать.
  6. Алгоритмы управления перегрузкой TCP (Reno, Vegas, Tahoe и др.) регулируют размер окна.
Back to top