IPv4 и IPv6: рассказываем о протоколах Интернета — как работает система изнутри

Всем начинающим системным администраторам или обычным пользователям, которые изучают устройство компьютерных сетей обязательно нужно знать о IPv4 и IPv6 (Internet Protocol) – что это такое, зачем они были созданы и как работают.

Дело в том, что знание этих простых фактов дает возможность более точно понимать, как вообще работает Интернет, как он устроен и, соответственно, управлять им.

Когда вы будете иметь общее представление об этих понятиях, то сможете хотя бы примерно понять, как настраивать различное оборудование, связанное с работой. В общем, перейдем к практике!

Cодержание:

Несколько слов об Internet Protocol

Оба рассматриваемых термина буквально расшифровываются как «Internet Protocol version four или six». Это переводится как «Интернет протокол (инструкция) 4 или 6» или «Межсетевой протокол…». Собственно, этот протокол в свое время стал связующим звеном между всеми остальными частями компьютерных сетей, что позволило создать образование, которое мы сегодня называется Интернетом.

В чем же смысл?

Смысл существования такой инструкции состоит в том, чтобы давать всем узлам компьютерных сетей адреса. Мы все знаем их как IP-адреса, которые есть у наших компьютеров. Именно благодаря этой адресации удалось систематизировать все и, опять же, создать Интернет.

IP-адрес представляет собой уникальный набор из четырех цифр, разделенных точкой. На низком уровне они представляются в двоичной системе исчисления, то есть в виде нулей и единиц. На рисунке 1 можно видеть пример такого явления.
Рис. 1. Пример IP-адреса

Рис. 1. Пример IP-адреса

А протокол отвечает за обслуживание этих самых адресов. В его функции входит следующее:

  • доставка пакетов с видео-, аудио- и другими материалами между отдельными узлами;
  • объединение сегментов в единое образование;
  • сохранение информации на маршрутизаторах, то есть промежуточных узлах.

При этом он не отвечает за целостность данных. Это означает, что пакеты (комплекты) могут не прийти вообще, прийти поврежденными, то есть какая-то часть будет отсутствовать и так далее. В некоторых случаях приходит два одинаковых набора. В общем, ситуации могут быть самыми разными, но за целостность комплектов отвечает не IP, а TCP.

Наверняка, вы слышали о существовании некоего TCP-IP. Так вот, это сочетание двух известнейших инструкций.

вернуться к меню ↑

История разработок

В истории создания и дальнейших разработок IP можно выделить несколько этапов:

  • Начальный. В 70-х гг. прошлого века сотрудники известного ныне агентства DARPA, которое занимается передовыми технологиями, решили начать работу над созданием связи между компьютерами в лабораториях. Собственно, они прекрасно понимали, какие перспективы открываются перед подобными разработками. И их ожидания оправдались сполна. В конце 70-х разработка первого протокола была завершена и он стал рабочим.
Рис. 2. Логотип DARPA

Рис. 2. Логотип DARPA

  • Разработка четвертой версии. IP претерпевал некоторые изменения, пока в свет не вышел IPv4. Произошло это в 1981. Основное его отличие от первой и других версий. состояло в представлении. Но были и некоторые другие особенности.
  • Разработка шестой версии. В 1996 появляется самая новая на сегодняшний день ver. Она позволяет добиться больше целостности, быстрее их передавать и имеет некоторые другие преимущества. Но основная причина ее создания более банальная, об этом мы еще поговорим.

Особенности четвертой версии

Основные особенности данной инструкции состоят в следующем:

  • Каждый адрес представляет собой четыре байта. Адресное пространство ограничивается цифрой 40294967296 или 232. Это означает, что в рамках рассматриваемого нами понятия может поместиться именно столько, а соответственно и столько узлов. Выше мы говорили, что IP-адрес представляет собой набор из четырех цифр, разделенных точкой. Так вот, эти цифры является десятичными, то есть могут быть в диапазоне от 0 до 255, не больше и не меньше.
  • Существуют зарезервированные структуры цифр, использовать которые обычным пользователям нельзя. К примеру, некоторые используются только в частных сетях (10.0.0.0). Другие нужны для коммуникации внутри определенных типов узлов, например, хоста (100.64.0.0).
  • В каждом пакете записывается версия протокола, полная его длина, уникальный идентификатор, IP получателя и отправителя, сами данные и другие параметры. Полное наглядное представление комплекта можно видеть на рисунке 3.

Рис. 3. Структура набора информации IPv4

Рис. 3. Структура набора информации IPv4

Октет – это 8 разрядов. Бит – это 1 разряд. Как можно видеть на рисунке выше, в каждом октете находится по 8 битов, но их перечисление идет слева направо, а не справа налево. В реальности информация и представляется в таком вот виде.

Вот полный список параметров, которые находятся в каждом пакете:

  • ver. – в данном случае всегда 4 (у шестой, соответственно, 6);
  • размер заголовка – если сказать просто, это название, оно всегда должно быть отделено от остальных данных;
  • тип обслуживания (на схеме «Differentiated Services Code Point») – существуют отдельные классы обслуживания комплектов, какие-то первоочередные, какие-то второстепенные, какие-то фрагментируются и из-за этого обслуживаются по-особенному и так далее;
  • указать перегрузки – если материалов слишком много, он срабатывает;
  • размер – исчисляется в байтах;
  • идентификатор – нужен для определения конкретных фрагментов сети;
  • флаги – если стоит 1, значит, материалы не фрагментирована, если 2, наоборот;
  • смещение фрагмента;
  • время жизни;
  • инструкция (в данном случае IPv4);
  • контрольная сумма – нужна для того, чтобы понять, удалось ли избежать потери каких-либо данных;
  • IP источника и назначения;
  • опции – полный их список можно видеть на сайте org, организации, которая отвечает за обслуживание IP.

Как видим, здесь все достаточно просто. Но со временем назрела необходимость создания шестой.

вернуться к меню ↑

Зачем нужна была шестая версия

Как мы говорили выше, причина более чем банальная и заключается она в исчерпывании IP-адресов. Это означает, что пространство адресации оказалось слишком маленьким для того, чтобы вместить все необходимые узлы сети, то есть все компьютеры, маршрутизаторы и тому подобное.

Эксперты стали отмечать то, что IP банально на всех не хватит, еще в 80-х гг. прошлого века. Эксперты тогда стали говорить о том, что распределение этого самого пространства происходит слишком быстро и внутреннее устройство инструкции просто не выдержит такой нагрузки. Стало появляться все больше устройство, Интернет постепенно начал становится частью повседневной жизни.

По этой причине сначала была создана так называемая классовая адресация. Если сказать просто, то смысл ее в том, что все поделили на 5 классов – A, B и C для отдельных узлов, D для многоадресной передачи и E для экспериментов (это не шутка).

Рис. 4. Схема классовой адресации

Рис. 4. Схема классовой адресации

Но такой метод не давал возможность эффективно использовать и без того ограниченную подрорку. Поэтому классы отменили, и это позволило более гибко распределять IP. Постепенно это привело к тому, что был создан version 6.

Это интересно: Между ями 4 и 6 была еще и пятая. Она существует по сей день, но ее используют только в экспериментальных целях. 
вернуться к меню ↑

Особенности шестой версии

Данный свод инструкций был создан в 1996. Как раз в 2000-х началось прогнозируемое ранее исчерпывание адресного пространства.

По различным оценкам оно должно было закончиться в 2005 или  2010 г. Но на дворе 2017-ый и мы по сей день пользуемся четвертой.

Впрочем, это вовсе не означает, что полное переполнение не произойдет в скором будущем. Тем более, что частичное уже имеет место.

Впервые распределение в рамках IPv6 произошло в 2011. Тогда 5 блоков были розданы так называемым регистраторам, которые работали в регионах. В 2015 первый такой регистратор, AfriNIC объявил о том, что свободные IPv4 закончились и выдавать больше нечего. Вторым оказался ARIN. Сейчас постепенно то же самое делают и остальные регистраторы. Очень хорошо, что еще с 2008 полноправно функционирует ver. 6.
Рис. 5. Полный список регистраторов

Рис. 5. Полный список регистраторов

Его основные особенности:

1Отсутствует фрагментация на маршрутизаторе. Это значительно облегчает работу всех узлов сети. Такое изменение стало возможным благодаря использованию технологии Path MTU discovery, которая заключается в поднятии размера так называемого полезного блока пакета (в котором хранится вся нужная для передачи информация) до 1280 байт.

2Отсутствует контрольная сумма. Разработчики посчитали, что раз уж они все равно используют TCP и UDP, что обеспечивает целостность информации, то контрольная сумма здесь абсолютно лишняя. Это логично, ведь у некоторых протоколов (те же TCP и UDP, а также Ethernet) есть свои контрольные суммы.

3Размер теперь составляет 16 байт, а не 4, как в четвертой версии. При этом длина заголовка увеличилась до 40 байт (была 20). Конечно, с одной стороны это ухудшение, но дело в том, что материалов в каждом пакете теперь больше, но в то же время она более оптимизированная, поэтому нагрузка меньше. В общем, это тоже улучшение по сравнению с предыдущим поколением IP.

4Благодаря вышеперечисленным и другим изменениям IPv6 позволяет передавать наборы до 4 Гб. В будущем планируется увеличение этого показателя.

5Введено поле меток. Они относятся к потокам (состав пакетов, которые идут в одном направлении, то есть к одному пункту назначения). Благодаря этому маршрутизация становится намного более простой и, соответственно, скоростной.

6Внедрены новые механизмы безопасности, такие как IPsec, который шифрует абсолютно любую информацию без участия дополнительного программного обеспечения.

Изменения претерпел и состав, а также механизм адресации. Не вдаваясь в подробности, скажем, что шестая стала более скоростной и оптимизированной.

Но что все это означает для пользователя?

Сейчас разберемся!

вернуться к меню ↑

Преимущества шестой  перед четвертой с точки зрения пользователя

Безусловно, все вышеперечисленные изменения имеют огромный смысл и полезны они, в первую очередь, для пользователя. Вот лишь основные преимущества IPv6 перед IPv4:

  • Высокая скорость скачивания любых файлов. Ранее повсеместно использовалась вер. четыре в сочетании с NAT, технологией преобразования адресов. Благодаря этому Интернет вроде бы как работал быстрее. Так вот, даже если взять четвертую с NAT и шестую ver., то шестая окажется в разы быстрее. Она позволит скачивать файлы намного скорее.
  • Высокая скорость работы с торрентами. Даже если взять не прямое скачивание файлов через браузер, то есть традиционный способ, а торренты, то все равно можно будет увидеть значительный прогресс. Все загружается в разы быстрее. Это касается всех необычных способов скачивания файлов, будь то различные загрузчики или клиенты.
  • Надежность на высшем уровне. Кроме скорости для пользователя важным является еще и отсутствие всевозможных глюков, подвисаний и торможений при загрузке потокового видео, файлов или просто страниц в браузере. Так вот, при использовании «шестерки» все это также стало намного лучше.

Наверняка, в будущем этот набор инструкций будет еще больше совершенствоваться и улучшаться. Интернет станет еще более быстрым и надежным.

Продвинутые пользователи могут узнать немного больше о рассматриваемых протоколах из видео ниже.

 

 

 

Дмитрий Самолюк

«Только инновация отличает лидера от догоняющего»

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.
Geek-Nose
Register New Account
Пароль