Настройка сети в операционной системе Windows 7. Часть 5 - Основы Internet Protocol v4

• Введение
• Устройство адреса Internet Protocol v4
  • Конвертация адресов с двоичной системы счисления в десятичную систему и обратно
• Диапазоны IPv4 адресов
  • Индивидуальные адреса
  • Групповые адреса
  • Широковещательные адреса
• Настройка IPv4 адресов
• Заключение

Введение

Из предыдущих статей вы узнали об использовании компонента «Центр управления сетями и общим доступом», при помощи которого вы можете настраивать сетевое расположение, сетевые карты, а также управлять сетевыми подключениями и общим доступом. Вы ознакомились с основными сетевыми клиентами, службами и протоколами, которые принимают участие в сетевых коммуникациях, узнали о способах размещения общих ресурсов и управлении ими. В этой статье вы узнаете о том фундаменте, без которого все вышеперечисленные компоненты не имели бы никакого значения – вы узнаете о протоколе третьего уровня (уровня Интернета), а именно об Internet Protocol v4 (IPv4), а если говорить еще точнее – то о способе установки сети IPv4 и о структуре данного протокола. Полученные знания из материала данной статьи помогут вам различать глобальные и частные адреса, настраивать адресацию при помощи графического интерфейса и командной строки, а также многое другое.

Сетевой протокол IP является основным протоколом третьего уровня. Каждый IP-адрес позволяет определить источник или назначение IP-пакетов. Для IPv4 у каждого узла в сети есть один или несколько интерфейсов, которые вы можете включать, настраивать или отключать индивидуально для каждого интерфейса. При включении каждого сетевого интерфейса, вы можете назначить ему один или несколько логических IPv4 адресов вручную или автоматически. Адрес IPv4 является логическим, так как этот адрес назначается для уровня Интернета и не имеет привязки к физическим адресам сетевого интерфейса.

Устройство адреса Internet Protocol v4

Несмотря на то, что при помощи графического интерфейса и утилит командной строки, IPv4 адреса отображаются в формате четырех десятичных чисел, разделенных точками (например, 89.108.123.52), компьютеры их определяют в исходном формате, длиной в 32 бита в двоичной системе счисления, которые состоят из четырех октетов, длиной в восемь бит каждый. В десятичной системе счисления числа этих октетов могут быть в диапазоне от 0 до 255, причем каждый IP-адрес должен быть уникальным. То есть невозможно назначить для нескольких различных интерфейсов одинаковые IP-адреса.

Например, IP-адрес 89.108.123.52 в двоичной системе счисления будет выглядеть следующим образом: 01011001011011000111101100110100. Для того чтобы перевести IP-адрес из двоичной системе счисления в десятичную, вам прежде всего нужно разделить адрес на четыре блока по восемь цифр в каждом, перевести каждый октет в десятичную систему счисления, а затем разделить полученные октеты точками. На следующей иллюстрации отображается пример структуры IPv4-адреса:

Рис. 1. Структура и идентификаторы IPv4-адреса

Как видно на предыдущей иллюстрации, IPv4-адрес разбит на две секции: идентификатор сети и идентификатор узла. Идентификатор сети идентифицирует отдельную сеть в инфраструктуре IPv4 и расположен в первой части IP-адреса. Идентификатор узла идентифицирует компьютер либо маршрутизатор в сети, который обозначается идентификатором сети и расположен во второй части. Также, обычно, в структуре IPv4 адресов четыре октета обозначаются буквами w, x, y и z, где секция ID сети обозначается октетами w и x, а секция ID узла – октетами y и z.

Конвертация адресов с двоичной системы счисления в десятичную систему и обратно

Насколько я помню, еще со школьных уроков информатики у многих людей конвертация чисел в разные системы счисления вызывает не самые приятные ощущения. Но для того чтобы полностью разобраться со структурой IPv4-адресов вам рано или поздно придется конвертировать адреса с двоичной системы счисления в десятичную систему, и наоборот. Как бы не могла показаться данная конвертация на первый взгляд сложной и недоступной, на самом деле конвертировать IPv4-адреса очень просто. Для наилучшего понимания нужно только знать месторасположение каждого бита. Возьмем для примера десятичную систему счисления, где все числа формируются из цифр от 0 до 9, образуя единицы, десятки, сотни и т.д. Например, для того чтобы получить число 359 вам нужно сложить 3*102 + 5*101 + 9*100. В двоичной системе счисления все очень похоже на вычисления чисел десятичной системы счисления. Здесь на месте каждого бита в порядке возрастания справа налево расположены потенциальные значения. Для лучшего понимания, я предлагаю разобраться со следующей таблицей, при помощи которой вы сможете запомнить потенциальное значение месторасположения каждого бита:

Таблица 1. Значения каждого бита

При конвертировании октетов адресов из двоичной системы счисления в десятичную систему, необходимо обратить внимание на то, что если значением любого из битов будет 0, то его эквивалентным десятичным значением также будет 0. Теперь, зная значения каждого из битов октета, несложно подсчитать, что максимальным значением будет 128+64+32+16+8+4+2+1=255. Вот почему значения IPv4 адресов могут быть в диапазоне от 0 до 255.

Попробуем преобразовать из двоичной системы счисления в десятичную систему следующий адрес 0101100101101100111101100110100. Для этого выполните следующие действия:

1. Разбейте данный IPv4 адрес на четыре октета. У вас должно получиться 01011001 01101100 01111011 00110100;
2. Для получения десятичной суммы первого октета, выполните сложение эквивалентного значения в местоположении каждого бита. Должно получиться следующее: 64+16+8+1=89;
3. Для получения десятичной суммы второго октета, выполните сложение эквивалентного значения в местоположении каждого бита. Должно получиться следующее: 64+32+8+4=108;
4. Для получения десятичной суммы третьего октета, выполните сложение эквивалентного значения в местоположении каждого бита. Должно получиться следующее:62+32+16+8+2+1=123;
5. Для получения десятичной суммы четвертого октета, выполните сложение эквивалентного значения в местоположении каждого бита. Должно получиться следующее: 32+16+4=42;
6. Разделите все четыре полученных числа точками. В итоге должен получиться следующий IPv4 адрес: 89.108.123.42.

Перевести IPv4 адрес из десятичной системы счисления в двоичную не намного сложнее. Например, для того чтобы перевести в двоичную систему счисления число 157, вам нужно сделать следующее (если у вас будут сложности с устным расчетом – нарисуйте для себя таблицу):

1. Определите потенциальное значение первого бита. Для этого вам нужно определить, число 157 больше чем 128 или нет. В нашем случае, число 128 меньше 157, поэтому самый первый бит в данном октете будет 1. После этого отнимаем от 157 число 128. У вас должно получиться число 29;
2. На втором шаге вы должны определиться со следующим потенциальным значением. Число 29 больше чем 64? Нет, значит, в данном октете вторым битом будет 0. Не сложно догадаться, что третьим битом также будет 0, а вот число 16 меньше, чем 29. Значит, четвертым битом будет 1. Затем отнимаем от 29 число 16. Получается 13;
3. Теперь проверяем, число 13 больше 8 или нет. Конечно, больше. Пятым битом будет 1. Отнимаем от 13 число 8 и получаем 5;
4. Теперь определяем значение шестого бита. Оно будет равняться 1. Отнимаем от 5 число 4 и получаем единицу;
5. Теперь, на этом шаге мы видим, что значением шестого бита, будет 0, а значением седьмого – 1;
6. Таким образом, получен октет в двоичном представлении: 10011101.

Диапазоны IPv4 адресов

Существуют следующие типы адресов IPv4, которые согласованы с Интернет стандартами:

• Индивидуальные адреса;
• Групповые адреса;
• Широковещательные адреса.

Индивидуальные адреса

Индивидуальные адреса позволяют идентифицировать местоположение сетевого интерфейса вашего компьютера в сети. Для вычисления индивидуальных адресов наиболее сложным моментом считается определение ID сети и ID узла. Идентификатор сети также называется префиксом подсети и представляет собой часть IPv4 адреса, которая определяет набор интерфейсов, расположенных в сегменте той же физической или логической сети. Используя только десятичные или двоичные данные IPv4 адреса, вы не сможете определить какие биты отвечают за идентификатор сети, а какие за идентификатор узла. Для определения ID сети используется дополнительная информация, которая называется маской подсети и будет рассмотрена в следующей статье.

Индивидуальные адреса можно разбить на публичные, частные, незаконные, APIPA и специальные. Рассмотрим каждый тип индивидуальных адресов:

• Публичные. Если вы хотите иметь прямой доступ к сети Интернет – вам необходимо иметь публичный адрес. Если вам нужно иметь доступ в Интернет через прокси, вы можете использовать публичные или частные адреса. Если вы не подключены к сети Интернет – вы можете иметь широковещательные или любые другие адреса. Но в любом случае, если вы планируете когда-то подключить свой компьютер к сети Интернет – то во избежание конфликтов, вам стоит использовать на своем компьютере частные адреса, так как в Интернете каждый IPv4 адрес уникален. Еще в свое время, Администрацией адресного пространства Интернет (Internet Assigned Numbers Authority - IANA) была разбита незарезервированная часть адресного пространства IPv4 и делегирована ответственность за распределение адресов региональным регистраторам. К таким регистраторам относятся American Registry for Internet Numbers (ARIN), Asia-Pacific Network Information Center (APNIC), а также Reseaux IP European Network Coordination Centre (RIPE NCC), которые выделяют блоки адресов для крупных поставщиков служб Интернета.
• Частные. Независимо от подключения к глобальной сети Интернет, каждый IPv4 адрес в сети должен быть уникальным. Наряду с публичными IPv4 адресами, администрацией IANA были зарезервированы определенные диапазоны адресов, которые невозможно использовать в Интернете. Эти адреса применяются только в интрасети или в домашних сетях. Компьютеры с такими адресами не имеют прямого доступа и могут подключаться к Интернет только посредством серверов или маршрутизаторов, которые выполняют преобразование сетевых адресов. В документе запроса комментариев 1918 (Request for Comments - RFC) определены следующие диапазоны адресов, предназначенные для частного адресного пространства:

  10.0.0.0/8 (10.0.0.0, 255.0.0.0) – позволяют использовать адреса в диапазоне от 10.0.0.1 до 10.255.255.254, где префикс имеет 24 принимающих бита, которые можно использовать для любой схемы адресации в частной организации;

  172.16.0.0/12 (172.16.0.0, 255.240.0.0) – позволяют использовать адреса в диапазоне от 172.16.0.1 до 172.31.255.254, где префикс имеет 20 принимающих битов, которые можно использовать для любой схемы адресации в частной организации;

  192.168.0.0/16 (192.168.0.0, 255.255.0.0) – позволяют использовать адреса в диапазоне от 192.168.0.1 до 192.168.255.254, где префикс имеет 16 принимающих битов, которые можно использовать для любой схемы адресации в частной организации.

• Адресное пространство блока. Очевидно, что у каждого подключенного напрямую к сети Интернет компьютера должен быть публичный IPv4 адрес. Во многих организациях публичные адреса назначаются общедоступным серверам, а на всех остальных компьютерах используются частные адреса. Но в том случае, если организации необходимо иметь более одного публичного адреса – они вынуждены покупать у Интернет провайдера блок адресов. Блок адресов – это группа индивидуальных IP-адресов, которые используют один идентификатор сети. Обычно, такие блоки бывают с префиксом /24 и идентификатором сети 206.73.118, то есть адреса будут расположены в диапазоне от 206.73.118.0 до 206.73.118.255. такой диапазон называется адресным пространством блока.
• APIPA. Во многих организациях, адреса на клиентских компьютерах назначаются автоматически при помощи сервера Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP). Если такой сервер недоступен, то подключение само назначит определенную альтернативную конфигурацию автоматическом режиме. А вот если и такая конфигурация не определена, то подключение назначит себе адрес Automatic Private IP Addressing (APIPA). Определяется этот адрес во вкладке «Автоматическая конфигурация» диалогового окна «Свойства: Протокол Интернета версии 4 (TCP/IPv4)». Данную функцию удобно использовать во временных сетях.

  По умолчанию APIPA назначает себе частный IPv4 адрес в диапазоне от 169.254.0.1 до 169.254.255.254 с маской подсети 255.255.0.0 и, используя данный адрес, вы сможете только осуществлять сетевые коммуникации в пределах широковещания, которые используют APIPA. Когда DHCP сервер становится снова доступным, адреса APIPA заменяются адресами, полученными от DHCP.

• Специальные. Помимо всех вышеперечисленных типов индивидуальных адресов еще существуют специальные адреса:

  0.0.0.0. Этот IPv4 адрес является неопределенным и указывает на отсутствие адреса для локального компьютера. Такой адрес используется только в том случае, когда у вас IPv4 адрес не был настроен вручную и на данный момент пытается получить свой адрес при помощи такого конфигурационного протокола, как DHCP;

  127.0.0.1. Также известен как замыкающийся адрес, который привязывается к интерфейсу локальной петли. Данный интерфейс позволяет вам посылать запросы на самого себя.

Групповые адреса

Групповой адрес представляет собой уникальный сетевой адрес класса D. Посланные на него пакеты всегда направляются заранее определенной группе адресов. Таким образом, один отправитель может передать серию пакетов, которая будет маршрутизирована нескольким получателям одновременно. Данный метод является более эффективным, нежели персональная передача данных каждому получателю из группы, которым должны быть переданы одни и те же данные. Групповые адреса имеют вид 224.0.0.0/4 и представлены в диапазоне от 224.0.0.0 до 239.255.255.255.

Широковещательные адреса

Помимо вышеперечисленных типов, IPv4 использует набор широковещательных адресов, которые позволяют передавать данные из одного источника на все интерфейсы подсети. Каждый переданный пакет в случае пакетной передачи предназначен для приёма всеми участниками сети. Широковещание возможно только в пределах одного сегмента сети. Однако пакеты данных могут быть посланы из-за пределов сегмента, в котором будет осуществлено широковещание. Широковещание требует много ресурсов, поскольку при его осуществлении захватывается полоса пропускания сети и запрашивается каждый сетевой адаптер и процессор в локальной сети. Обычно, широковещательные IPv4 адреса имеют идентификатор сети 131.107

Настройка IPv4 адресов

В операционных системах Windows, настроить статические (отконфигурированные вручную) IPv4 адреса для сетевых интерфейсов вы можете как при помощи графического интерфейса, так и средствами оболочки сетевых сервисов командной строки Netsh. Эти адреса очень удобно использовать в такой инфраструктуре, как контроллеры доменов, DHCP- и DNS-серверы, маршрутизаторы, WINS-серверы и пр.

Для того чтобы настроить свой сетевой интерфейс при помощи графического интерфейса операционной системы Windows, вам нужно выполнить следующие действия:

1. Откройте окно «Сетевые подключения»;
2. В окне сетевых подключений выберите то подключение, которое вам нужно отконфигурировать и для открытия диалогового окна свойств конкретного сетевого подключения, из контекстного меню выберите команду «Свойства». Этого же результата вы можете добиться, воспользовавшись комбинацией клавиш Alt+Enter, или нажав на кнопку «Настройка параметров подключения», которая расположена на панели инструментов;
3. В диалоговом окне «%название_подключение% - свойства» выберите компонент «Протокол Интернета версии 4 (TCP/IPv4)» и нажмите на кнопку «Свойства»;
   

   

   Рис. 2. Диалоговое окно свойств сетевого подключения

4. Как видно на следующей иллюстрации, по умолчанию сетевые подключения автоматически получают IP-адрес и адрес DNS-сервера. Для того чтобы настроить статический адрес, установите переключатель на опцию «Использовать следующий IP-адрес», а затем укажите IP-адрес, маску подсети и при необходимости адрес основного шлюза. Для ручной настройки DNS-сервера, установите переключатель на опцию «Использовать следующие адреса DNS-серверов» и укажите адрес предпочтительного DNS-сервера и, по необходимости, адрес альтернативного DNS-сервера. О масках подсети, шлюзах и DNS-серверах вы узнаете из последующих статей.
   

   

   Диалоговое окно свойств TCP/IPv4

5. После того как вы укажите все настройки, нажмите на кнопку «ОК».

Помимо графического интерфейса, как говорилось выше, вы можете настраивать свои сетевые интерфейсы средствами командной строки. Этот метод может быть востребован в случае написания конфигурационных скриптов, настройке удаленных компьютеров по сети со слабым каналом и во многих других случаях. Для настройки сетевых интерфейсов средствами командной строки используется оболочка сетевых сервисов Netsh, которая позволяет управлять конфигурацией различных служб на локальном и удаленных компьютерах в интерактивном и в неинтерактивном режимах.

В интерактивном режиме, для конфигурирования определенных сетевых служб, вам нужно войти в утилиту netsh, набрав ее название в командной строке, а затем указать имя контекста нужной сетевой службы. Для настройки IP-интерфейса версии 4, вам нужно перейти в контекст interface ipv4, набрав название контекста в интерактивном режиме Netsh. Используя этот контекст, вы можете просматривать и управлять сетевой TCP/IP-конфигурацией компьютера.

Заключение

В этой статье вы узнали о структуре и настройке протокола третьего уровня - Internet Protocol v4 (IPv4). Была подробно рассмотрена конвертация с двоичной системы счисления в десятичную систему, а также были рассмотрены такие диапазоны адресов, как индивидуальные, групповые и широковещательные. В следующей статье вы узнаете о понятии масок подсети, а также об их диапазонах.