"Red informática" IPv4

1. Paquete IPv4

IPv4 es ahora la IP más utilizada (versión 4). IP define la unidad básica de transmisión de datos: paquete IP y su formato de datos exacto. IP también incluye un conjunto de reglas que especifican cómo procesar paquetes y cómo controlar los errores. En particular, IP también contiene la idea de entrega no confiable y la idea de enrutamiento de paquetes asociado con ella.

1.1 formato de paquete IPv4

Un paquete IP consta de dos partes: encabezado y datos. La longitud de la primera parte del encabezado es fija, un total de 20 B, que se requiere para todos los paquetes IP. Detrás de la parte fija del encabezado hay algunos campos opcionales cuya longitud es variable para proporcionar mecanismos como la detección de errores y la seguridad. El formato del datagrama IP se muestra en la figura:

Los significados de algunos de los campos principales del encabezado IP son los siguientes:

• versión

  Se refiere a la versión de IP, el número de versión más utilizado actualmente es 4

• Longitud del encabezado

  4 dígitos

  La unidad de longitud es 32 bits y el valor máximo es 60 B (15 × 4 B)

  La longitud del encabezado más utilizada es 20 B y no se utilizan opciones (es decir, campos opcionales) en este momento.

• Largo total

  16 dígitos

  Se refiere a la longitud de la suma del encabezado y los datos, en bytes.

• Logo

  16 dígitos

  Es un contador, que se incrementa en 1 cada vez que se genera un datagrama y se asigna al campo de identificación. Pero no es un "número de serie" porque IP es un servicio sin conexión.

• Signo

  3 dígitos

  El bit más bajo del campo de bandera es MF, MF = 1 significa que hay más fragmentos, MF = 0 significa el último fragmento

  El bit en el medio del campo de bandera es DF. La fragmentación se permite solo cuando DF = 0

• Desplazamiento de corte

  13 dígitos

  Solo muestra la posición relativa de una determinada pieza en el grupo original después de dividir el grupo más largo. El desplazamiento del segmento utiliza 8 bytes como unidad de desplazamiento, es decir, la longitud de cada segmento debe ser un múltiplo entero de 8 B (64 bits)

• Tiempo de vida (TTL)

  8 dígitos

  El número máximo de enrutadores que puede atravesar un datagrama en la red. El enrutador reduce el TTL en 1 antes de reenviar el paquete. Si el TTL se reduce a 0, el paquete debe descartarse

• protocolo

  8 dígitos

  Indique qué protocolo se utiliza para los datos transportados en este paquete, es decir, qué protocolo de la capa de transporte debe entregarse la parte de datos del paquete, como TCP, UDP, etc. El valor de 6 significa TCP y el valor de 17 significa UDP

• Primera suma de comprobación

  16 dígitos

  La suma de comprobación del encabezado del datagrama IP solo verifica el encabezado del paquete, no la parte de datos

• Dirección de la fuente

  Dirección IP del remitente

• Dirección de destino

  Dirección IP del destinatario

1.2 El proceso de reenvío de paquetes en la capa de red

1. Extraiga la dirección IP D del host de destino del encabezado del datagrama para obtener la dirección de red de destino N
2. Si la red N está conectada directamente a este enrutador, el datagrama se entregará directamente al host de destino D, lo que el enrutador denomina entrega directa; de lo contrario, se entregará indirectamente, vaya al paso 3.
3. Si hay una ruta de host específica con una dirección de destino de D en la tabla de enrutamiento (especifique una ruta específica a un host de destino específico, generalmente para controlar o probar la red), entonces el datagrama se envía al enrutador de siguiente salto especificado en el tabla de enrutamiento; de lo contrario, vaya al paso 4
4. Si hay una ruta a la red N en la tabla de enrutamiento, envíe el datagrama al enrutador del siguiente salto especificado en la tabla de enrutamiento; de lo contrario, vaya al paso 5
5. Si hay una ruta predeterminada en la tabla de enrutamiento, envíe el datagrama al enrutador predeterminado especificado en la tabla de enrutamiento; de lo contrario, vaya al paso 6
6. Informe de error de paquete de reenvío

2. Dirección IPv4

A cada host (o enrutador) conectado a Internet se le asigna un identificador único global de 32 bits, que es una dirección IP

Las direcciones IP tradicionales son direcciones clasificadas, divididas en cinco categorías: A, B, C, D y E

Independientemente del tipo de dirección IP, está compuesta por el número de red y el número de host , que es simplemente la dirección de red y la dirección de host.

La dirección IP clasificada se muestra en la siguiente figura:

Entre los diversos tipos de direcciones IP, algunas direcciones IP tienen usos especiales y no es necesario utilizarlas como dirección IP del host:

• El número de host es todo 0, lo que significa la red en sí , como 202.98.174.0
• El número de host es 1 significa la dirección de transmisión de esta red , como 202.98.174.255
• 127.0.0.0 está reservado como la dirección de autocomprobación de bucle, esta dirección representa cualquier host en sí mismo, y el datagrama IP cuya dirección de destino es la dirección de bucle invertido nunca aparecerá en ninguna red
• 32 bits son todos 0, es decir, 0.0.0.0 significa que este host en esta red
• 32 son todos 1, es decir, 255.255.255.255 representa la dirección de transmisión de toda la red TCP / IP

En el uso real, se usa para que el enrutador aísle el dominio de transmisión, 255.255.255.255 es equivalente a la dirección de transmisión de la red

La dirección IP tiene las siguientes características importantes:

1. La dirección IP es una estructura de dirección jerárquica. Las ventajas de dos niveles son :

   • La agencia de gestión de direcciones IP solo asigna el número de red cuando asigna la dirección IP, y el número de host restante lo asigna la unidad que obtuvo el número de red, lo que facilita la gestión de la dirección IP.
   • El enrutador solo reenvía paquetes de acuerdo con el número de red conectado al host de destino (independientemente del número de host de destino), de modo que el número de elementos en la tabla de enrutamiento se puede reducir en gran medida, reduciendo así el espacio de almacenamiento ocupado por la tabla de enrutamiento.

2. La dirección IP es la interfaz que identifica un host (o enrutador) y un enlace.

   Cuando un host está conectado a dos redes al mismo tiempo, el host debe tener dos direcciones IP correspondientes al mismo tiempo, y su número de red net-id debe ser diferente

   Dado que un enrutador debe estar conectado a al menos dos redes (para que pueda reenviar datagramas IP de una red a otra), un enrutador debe tener al menos dos direcciones IP diferentes

3. Varias LAN conectadas por repetidores o puentes siguen siendo una red (el mismo dominio de transmisión), por lo que todas estas LAN tienen el mismo número de red net-id, pero el host-id debe ser diferente

4. Todas las redes asignadas al número de red net-id, una red de área pequeña o una red de área amplia que puede cubrir un área geográfica grande, son iguales

5. El número de red en la dirección IP del host o enrutador en la misma LAN debe ser el mismo. El enrutador siempre tiene dos o más direcciones IP, y cada puerto del enrutador tiene una dirección IP con un número de red diferente.

3. División de subred y máscara de subred

3.1 División en subredes

Desventajas de las direcciones IP de dos niveles:

• La utilización del espacio de direcciones IP es a veces muy baja
• Asignar un número de red a cada red física hará que la tabla de enrutamiento sea demasiado grande y degradará el rendimiento de la red.
• La dirección IP de dos niveles no es lo suficientemente flexible

Desde 1985, se ha agregado un nuevo campo "número de subred" a la dirección IP, lo que hace que la dirección IP de dos niveles se convierta en una dirección IP de tres niveles. Esta práctica se denomina división en subredes.

La idea básica de la división en subredes es la siguiente:

• La división de subredes es un asunto puramente interno de una organización, y la organización sigue apareciendo como una red sin subredes externas.
• Tomando prestados varios bits del número de host como número de subred, por supuesto, el número de host se reduce en los mismos bits. La estructura de la dirección IP de tercer nivel es la siguiente: dirección IP = {<número de red>, <número de subred>, <número de host>}
• Para todos los datagramas de IP enviados desde otras redes a un determinado host en la organización, el enrutador que se conecta a la red de la organización aún se encuentra en función del número de red de destino del datagrama de IP. Luego, el enrutador, después de recibir el datagrama IP, encuentra la subred de destino de acuerdo con el número de red de destino y el número de subred. Finalmente, el datagrama IP se entrega directamente al host de destino.

3.2 Máscara de subred

Para decirle al host o enrutador que divida en subredes una red de clase A, B y C, use la máscara de subred para expresar el préstamo del número de host en la red de origen

La máscara de subred es una cadena binaria de 32 bits correspondiente a la dirección IP. Consiste en una cadena de 1s seguida de una cadena de 0s, donde 1 corresponde al número de red y número de subred en la dirección IP, y 0 corresponde a la número de host. La computadora solo necesita calcular la dirección IP y su máscara de subred correspondiente por bit y presupuesto para obtener la dirección de red de la subred correspondiente

Los estándares actuales de Internet estipulan que todas las redes deben usar una máscara de subred

Si una red no está dividida en subredes, se utiliza la máscara de subred predeterminada:

• Dirección de clase A: 255.0.0.0
• Dirección de clase B: 255.255.0.0
• Dirección de clase C: 255.255.255.0

4. Enrutamiento entre dominios no clasificado (CIDR)

El enrutamiento de encuentro no clasificado es un método de división de direcciones IP propuesto sobre la base de una máscara de subred de longitud variable para eliminar la división de red tradicional A, B y C, y puede realizar la construcción de superred con el soporte de software

Las principales características de CIDR son las siguientes:

• Elimine el concepto de división y clasificación IP tradicional y haga un uso más eficaz del espacio de direcciones IPv4

  CIDR usa el concepto de "prefijo de red" en lugar del concepto de subred. Por lo tanto, el direccionamiento de dos niveles sin clasificar de la dirección IP es: IP :: = {<prefijo de red>, <número de host>}

  CIDR también usa "notación de barra oblicua" (o notación CIDR), que es la cantidad de bits ocupados por la dirección IP / prefijo de red

  Por ejemplo, para 128.14.32.5/20la dirección, que es una máscara 20 y un 0 consecutivo consecutivo posterior de 12 mediante el método bit a bit "y" se puede obtener el prefijo de red de la dirección:

  IP = 10000000.00001110.00100000.00000101, máscara =11111111.11111111.11110000.0000

  Prefijo de red 10000000.00001110.00100000.00000000==128.14.32.0

• Combine direcciones IP consecutivas con el mismo prefijo de red en un "bloque de direcciones CIDR"

  Un bloque de direcciones CIDR puede representar muchas direcciones. Este tipo de agregación de direcciones se denomina agregación de rutas o constituye una superred.

  La agregación de rutas es un elemento en la tabla de enrutamiento que puede representar las rutas de múltiples direcciones de clasificación tradicionales originales, lo que ayuda a reducir el intercambio directo de información de enrutamiento por parte de los enrutadores, mejorando así el rendimiento de la red.

El número de direcciones en el bloque de direcciones CIDR debe ser una potencia entera de 2. El número real de direcciones que se pueden asignar suele ser $2^{norte}-2$，$N$ representa el número de dígitos del número de host, el número de host todos 0 representa el número de red, el número de host todos 1 es la dirección de transmisión

La ventaja de CIDR radica en la flexibilidad de la longitud del prefijo de la red. Debido a que la longitud del prefijo de la red superior es más corta, la tabla de enrutamiento correspondiente tiene menos elementos y el prefijo de la red interna se puede extender para dividir la subred de manera flexible.