Тема 4. Сетевые архитектуры. Лекция. Интернет протоколы

1.

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ,
СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Санкт – Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»
Специальность: 09.02.07 «Информационные системы и программирование»
ОП.11 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ
Преподаватель
Рожков А.И.
Санкт-Петербург 2024

2.

Лекция. Интернет протоколы
План занятия:
1. Протоколы IPv4 и IPv6.
2. Присвоение адресов IPv6
3. Адресация. Типы адресов IPv6

3.

1. Протоколы IPv4 и IPv6
В ответ на стремительно заканчивающиеся свободные IPv4-адреса
в 1995 г. был представлен усовершенствованный вариант протокола:
IPv6.
Главное различие между IPv6 и IPv4 заключается в том, что для
формирования адреса отводится целых 128 бит. Пространство
возможных адресных сочетаний протокола IPv6 составляет 2128 , что
достаточно для 340 ундециллионов адресов или по 60 миллионов
адресов на каждого жителя Земли. Этого должно хватить еще на очень
долгое время.

4.

Адрес в рамках IPv6 в отличие от IPv4 состоит из четырех
шестнадцатеричных цифр, разделенных двоеточиями на 8 групп.
Например, ef05: 1db1: 12a5: 0200: 0230: a71e: 1363: 53e1. При этом изза увеличенного размера, в нем можно зашифровать гораздо больше
дополнительных параметров, повышающих эффективность передачи.
Такой формат дает ряд ощутимых преимуществ:
• Большее число адресов, достаточное, чтобы присвоить каждому
устройству уникальный веб-адрес.
• Необходимость в NAT и CIDR отсутствует, что положительно
сказывается на эффективности VPN и p2p-соединений.
• Более качественная интернет-маршрутизация в связи с
возможностью выстроить иерархию внутри доступного объема
информации адреса. Это сокращает издержки трафика на
распределение согласно таблице маршрутизации.

5.

• Упрощенная работа системы QoS (Quality of Service), которая
определяет чувствительные к задержке пакеты.
• Оптимизация
заголовков
помогает
более
обрабатывать входящий и исходящий поток.
эффективно
• Высокая
безопасность
соединения
из-за
встроенного
криптографического протокола защиты на уровне сети IPSec.
• Лучшая совместимость с мобильной передачей данных.
• Протокол управляющих сообщений версии 6 (ICMPv6), который
включает в себя разрешение адресов и автонастройку адресов,
что отсутствовало в протоколе ICMP для IPv4 (ICMPv4).

6.

Длина IPv6-адресов составляет 128 бит, написанных в виде
строки
шестнадцатеричных
значений.
Каждые
4
бита
представлены одной шестнадцатеричной цифрой, причем общее
количество шестнадцатеричных значений равно 32.
IPv6-адреса нечувствительны к регистру, их можно записывать
как строчными, так и прописными буквами.

7.

Формат записи адреса IPv6 ― x:x:x:x:x:x:x:x, где каждый x
состоит из четырех шестнадцатеричных значений. Термин октет
относится к восьми битам адреса IPv4. В IPv6-адресах сегмент из 16
бит или четырех шестнадцатеричных цифр неофициально
называют гекстетом или квартетом. Каждый х — это 1 гекстет, 16 бит
или 4 шестнадцатеричные цифры.
Предпочтительный формат означает, что IPv6-адрес записан с
помощью 32 шестнадцатеричных цифр. Существуют два правила,
которые помогают уменьшить количество цифр, необходимых
для представления адреса IPv6. 2001 : 0db8 : 0000 : 1111 : 0000 : 0000 : 0000: 0200
2001 : 0db8 : 0000 : 00a3 : abcd : 0000 : 0000: 1234
2001 : 0db8 : 000a : 0001 : c012 : 9aff : fe9a: 19ac
2001 : 0db8 : aaaa : 0001 : 0000 : 0000 : 0000: 0000
fe80 : 0000 : 0000 : 0000 : 0123 : 4567 : 89ab: cdef
fe80 : 0000 : 0000 : 0000 : 0000 : 0000 : 0000: 0001
fe80 : 0000 : 0000 : 0000 : c012 : 9aff : fe9a: 19ac
fe80 : 0000 : 0000 : 0000 : 0123 : 4567 : 89ab: cdef
0000 : 0000 : 0000 : 0000 : 0000 : 0000 : 0000: 0001
0000 : 0000 : 0000 : 0000 : 0000 : 0000 : 0000: 0000

8.

Правило 1. Пропуск начальных нулевых разрядов
Первое правило для сокращения записи IPv6-адресов —
пропуск всех начальных 0 (нулей) в шестнадцатеричной записи.
Вот четыре примера способов опустить ведущие нули:
• 01AB можно представить как 1AB
• 09f0 может быть представлен как 9f0
• 0a00 может быть представлен как a00
• 00AB можно представить как AB
Это правило применяется только к начальным нулям, а НЕ к
конечным. Например:
• предпочитаемый формат - 2001 : 0db8 : 0000 : 00a3 : ab00 : 0ab0 :
00ab : 1234
• без начальных нулей - 2001 : db8 :
0 : a3 : ab00 : ab0 : ab : 1234

9.

Правило 2 - Двойной двоеточие
Второе правило для сокращения записи адресов IPv6
заключается в том, что двойное двоеточие (::) может заменить
любую единую, смежную строку одного или нескольких 16битных сегментов (гекстетов), состоящих из нулей. Например,
2001:db8:cafe:1:0:0:0:1 (ведущие 0s опущены) можно представить как
2001:db8:cafe:1::1. Двойное двоеточие (::) используется вместо трех
гекстетов все-0 (0:0:0).
Двойное двоеточие (::) может использоваться в адресе только
один раз, в противном случае в результате может возникнуть
несколько адресов. Сочетание этого правила с методом пропуска
нулей помогает значительно сократить запись IPv6-адреса.
Обычно это называется сжатым форматом.

10.

Пример
неправильного
2001:db8::abcd::1234.
использования
двоеточия:
Двойное двоеточие используется дважды в приведенном выше
примере. Ниже приведены возможные расширения этого адреса с
неправильным сжатым форматом:
• 2001:db8::abcd:0000:0000:1234
• 2001:db8::abcd:0000:0000:0000:1234
• 2001:db8:0000:abcd::1234
• 2001:db8:0000:0000:abcd::1234

11.

Если адрес содержит более одной смежной строки всех гексет,
рекомендуется использовать двойное двоеточие (::) для самой
длинной строки. Если строки равны, первая строка должна
использовать двойное двоеточие (::). Например:
• предпочитаемый формат - 2001 : 0db8 : 0000 : 1111 : 0000 : 0000 :
0000 : 0200
• сжатый формат - 2001:db8:0:1111::200

12.

Длина префикса IPv6-адреса
В IPv4 /24 называется префиксом. В IPv6 это называется длиной
префикса. IPv6 не использует для маски подсети десятичное
представление с разделительными точками. Как и IPv4, длина
префикса представлена в виде косой черты и используется для
указания сетевой части адреса IPv6.
Структура точно такая же, как и у IPv4. Сетевая часть («маска»)
всегда записывается с помощью косой черты, где указывается
количество бит, отведенных под сетевую часть.

13.

Диапазон длины префикса может составлять от 0 до 128.
Обычная длина префикса IPv6 для локальных сетей и
большинства сетей других типов — /64.

14.

2. Присвоение адресов IPv6
В IPv6 адреса присваиваются одним из следующих способов.
Статически:
• Прописывается полностью весь адрес
• Прописывается только сетевой префикс (первые 64 бита).
Идентификатор узла (последние 64 бита) автоматически
настраивается посредством технологии EUI-64.
Динамически:
• DHCPv6 с сохранением состояния (то есть сервер помнит кому
и когда назначил адрес и остальные параметры). Работает
также, как и DHCPv4.
• Автоконфигурация - хост узнает префикс подсети и шлюз по
умолчанию посредством протокола NDP. Узловая часть
настраивается посредством EUI-64.

15.

Все адреса группируются с помощью префикса исходя из
географических регионов. Таким образом, упрощается маршрутизация:
Континент
Северная Америка
RIR
ARIN
Европа, Ближний Восток, Центральная
Азия
RIPE NCC
Азия, Тихоокеанский регион
APNIC
Африка, регион Индийского океана
AfriNIC
Назначенные адреса
2001:400::/23
2001:1800::/23
2001:4800::/23
2600::/12
2610::/12
2001:600::/23
2001:800::/23
2001:a00::/23
2001:1400::/23
2001:200::/23
2001:e00::/23
2001:c00::/23
2001:4200::/23
Латинская Америка, Карибский регион
LACNIC
2880::/12

16.

C помощью технологии EUI-64 настраивается узловая часть IP
адреса. Достигается это с помощью МАС адреса интерфейса. В
середину МАС адреса добавляются 2 байта FFFE, то есть
получается всего 64 бита. 7-ой бит 1-го байта МАС адреса
устанавливается в 1.
Выглядит это так:
Благодаря
уникальности
МАСадреса достигается и
уникальность
IPадреса

17.

3. Адресация. Типы адресов IPv6
В IPv6 существуют следующие типы адресов.
• Одноадресатные (Unicast) – стандартные адреса, которые в
свою очередь делятся на:
Глобальные (global) - публичный адрес, назначенный
провайдером,
имеющий
формат
*GlobalRoutingPrefix*::*SubnetID*:*InterfaceID*
Локальные (unique local) - аналогичны частным адресам в
IPv4, имеющие формат FE80::*InterfaceID*
Канальные (link local) - используются для работы
протокола NDP.
Назначаются автоматически самим
хостом.
Именно
этот
тип
адреса
используется
маршрутизаторами для вычисления маршрута. Канальные
адреса используются только в локальных сетях и не
маршрутизируются в сети интернет.

18.

• Многоадресатные
(Multicast)
групповой
адрес
идентифицирующий группу интерфейсов, пакет с таким
адресом доставляется всем членам группы. В групповом
адресе указывается префикс ff::/8. Групповые адреса также
разделяются на области: адреса уровня узла, уровня линии
связи, уровня сайта и уровня организации.
• Одноадресатные резервные (Anycast) - групповой адрес.
Всегда используется в качестве адреса получателя. Похож на
адрес многоадресатной рассылки, однако на запрос отвечает
всегда ближайшее устройство, в то время в случае
многоадресатного адреса на запрос реагируют все устройства
группы.
Данный
тип
адресов
используется
только
маршрутизаторами.
Широковещательные (broadcast) адреса протоколом IPv6 не
поддерживаются. Вместо них используются многоадресатные адреса.

19.

Диапазоны всех типов адресов:
Тип адреса
Глобальный
Описание
Уникальный маршрутизируемый через
интернет
Префиксы
2000::/12
2600::/12
и так далее
Локальный
Работают только в локальной сети
FD00::/8
Канальный
Используются протоколом NDP. Через
FE80::/10
интернет не маршрутизируются
FE90::/10
FEA0::/10
FEB0::/10
Многоадресат Идентифицируют группу устройств. Могут
FF00::/8
ный
использоваться в локальной сети и
FF02::/16
интернет
Резервный
Определяет группу получателей. Всегда Такой же, как
используется в качестве адреса
иу
получателя.
глобального

20.

Network Discovery Protocol - NDP
Данный протокол был разработан специально для IPv6.
Выполняет функции протоколов ARP, ICMP, Router Discovery,
Router Redirect в IPv4.
Функции протокола:
• Определение префикса подсети
• Обнаружение маршрутизатора/шлюза по умолчанию
• Обнаружение соседей в локальной сети
• Автоматическая настройка адреса интерфейса
• Разрешение сетевых и канальных адресов
• Определение параметров канала в подсети
• Определение следующего перехода (маршрутизатора) в сети

21.

NDP поддерживает 5 типов пакетов ICMPv6:
• Запрос на доступность маршрутизатора (Router solicitation)
• Ответ маршрутизатора (Router advertisement)
• Запрос на доступность соседа (Neighbour solicitation)
• Ответ соседа (Neighbour advertisement)
• Перенаправление (Redirect)
Для работы протокола используются канальные (link local) адреса,
которые вычисляются автоматически без участия DHCP сервера и
маршрутизатора.

22.

Принцип работы протокола очень прост. Например, хосту требуется
узнать префикс подсети. Для этого он отправит запрос (Router
Solicitation - RS) на доступность маршрутизатора. Причем запрос
отправит по многоадресатному адресу FF02::2, который прослушивают
только маршрутизаторы. Приняв запрос, маршрутизатор отправит
ответ (Router Advertisement - RA)
по адресу FF02::1, который
прослушивают все хосты.
Кроме того, маршрутизаторы сами периодически рассылают
необходимую информацию всем узлам в сети по адресу FF02::1.

23.

Миграция к IPv6
Для постепенной миграции на IPv6 были разработаны методы:
• Двойной стек (Dual stack) - все сетевые устройства работают
одновременно на IPv4 и IPv6. Постепенно роль IPv4 в данной
сети уменьшается. Такое возможно в основном в локальных
сетях.
• Туннелирование. Для этого IPv6 пакеты инкапсулируются в
пакеты IPv4 и передаются по сети IPv4. Дойдя до сети
назначения пакет IPv6 извлекается и дальше самостоятельно
“путешествует” по своей сети

24.

Контрольные вопросы
1. Необходимость введения IPv6 и основные отличия от IPv4?
2. Что такое гекстет и какие существуют способы сокращения записи IPv6адреса?
3. Как в IPv6-адресе указывается маска подсети?
4. Как присваиваются IPv6-адреса?
5. Какие существуют типы IPv6-адресов?
6. Какой протокол в IPv6 выполняет функции IPv4-протоколов ARP, ICMP,
Router Discovery и Router Redirect?
7. Методы перехода на IPv6 протоколы?