Компьютерные сети. 6-е изд. - Эндрю Таненбаум

К тому же неясно, как на них отвечать. Теперь борьба с перегрузкой в интернете осуществляется в основном на транспортном уровне; а сигналом перегрузки является утеря пакетов. В главе 6 мы подробно обсудим, как это происходит.

Сообщение REDIRECT (переадресовать) отсылается хосту-источнику, когда маршрутизатор замечает, что у пакета ошибка в адресе назначения. Таким способом маршрутизатор предлагает хосту обновить путь.

Сообщения ECHO (запрос отклика) и ECHO REPLY (отклик) отправляются, чтобы определить, достижим ли в данный момент конкретный адресат и функционирует ли он. Получив ECHO, хост должен ответить сообщением ECHO REPLY. Эти сообщения используются утилитой ping, которая проверяет, работает ли хост и подключен ли он к интернету.

Сообщения TIMESTAMP REQUEST (запрос временной метки) и TIMESTAMP REPLY (отклик с временной меткой) имеют то же назначение, но при этом в ответе проставляется время получения сообщения и время отправления ответа. Этот механизм применяется для измерения производительности сети.

Сообщения ROUTER ADVERTISEMENT (обнаружение маршрутизатора) и ROUTER SOLICITATION (запрос к маршрутизатору) позволяют хостам находить ближайшие маршрутизаторы. Хосту необходимо знать IP-адрес хотя бы одного из них, чтобы он мог передавать пакеты за пределы LAN.

Кроме перечисленных сообщений определены и другие. Их полный список хранится в интернете по адресу www.iana.org/assignments/icmp-parameters.

ARP — протокол разрешения адресов

Хотя у каждого устройства в интернете есть один или несколько IP-адресов, их недостаточно для отправки пакетов. Сетевые карты канального уровня, например Ethernet-карты, не понимают интернет-адресов. Каждая когда-либо выпущенная сетевая карта Ethernet имеет 48-разрядный Ethernet-адрес. Производители карт запрашивают у IEEE блок Ethernet-адресов, что гарантирует их уникальность (это позволяет избежать конфликтов при наличии одинаковых сетевых карт в одной LAN). Сетевые карты отправляют и принимают фреймы, основываясь на 48-разрядных Ethernet-адресах. О 32-разрядных IP-адресах им ничего не известно.

Таким образом, возникает вопрос: как устанавливается соответствие IP-адресов и адресов уровня передачи данных (например, Ethernet-адресов)? Чтобы понять, как это работает, рассмотрим пример на илл. 5.62. Здесь изображен небольшой университет с двумя сетями /24. На рисунке мы видим две коммутируемые сети Ethernet: одна сеть (CS) на факультете кибернетики, с префиксом 192.31.65.0/24, а другая (EE) — на электротехническом факультете, с префиксом 192.31.63.0/24. Они соединены IP-маршрутизатором. У каждого компьютера сети и у каждого интерфейса на маршрутизаторе есть уникальный Ethernet-адрес (на рисунке — от E1 до E6) и уникальный IP-адрес в сети CS или EE.

Рассмотрим, как пользователь хоста 1 передает пакет пользователю хоста 2 в сети CS. Допустим, отправителю известно имя получателя, eagle.cs.uni.edu. Сначала надо найти IP-адрес для хоста 2. Этот поиск осуществляется службой системы имен доменов DNS (Domain Name System), которую мы рассмотрим в главе 7. На данный момент мы просто предположим, что служба DNS возвращает IP-адрес для хоста 2 (192.32.65.5).

Илл. 5.62. Две коммутируемые LAN Ethernet, соединенные маршрутизатором

Теперь программное обеспечение верхнего уровня хоста 1 создает пакет со значением 192.31.65.5 в поле Destination address и передает его IP-программе для пересылки. Программное обеспечение IP может посмотреть на адрес и увидеть, что адресат находится в сети CS (то есть в его собственной сети), но ему нужно как-то определить Ethernet-адрес получателя. Одно из решений состоит в том, чтобы хранить в системе конфигурационный файл, в котором были бы перечислены соответствия всех локальных IP-адресов Ethernet-адресам. Такое решение, конечно, возможно, но в организациях с тысячами компьютеров обновление этих файлов потребует много времени и подвержено ошибкам.

Более удачное решение заключается в рассылке хостом 1 по сети Ethernet широковещательного пакета с вопросом: «Кому принадлежит IP-адрес 192.32.65.5?» Этот пакет будет получен всеми компьютерами сети CS Ethernet, и каждый из них проверит его IP-адрес. Только хост 2 ответит на вопрос своим Ethernet-адресом E2. Таким образом, хост 1 узнает, что IP-адрес 192.32.65.5 принадлежит хосту с Ethernet-адресом E2. Протокол, который задает подобный вопрос и получает ответ на него, называется протоколом разрешения адресов (Address Resolution Protocol, ARP) и описан в RFC 826. Он работает почти на всех устройствах интернета.

Преимущество ARP над файлами конфигурации заключается в его простоте. Системный администратор должен всего лишь назначить каждому компьютеру IP-адрес и решить вопрос с маской подсети. Все остальное сделает ARP.

Затем программное обеспечение протокола IP хоста 1 создает Ethernet-фрейм для E2, помещает в его поле Payload IP-пакет, адресованный 192.32.65.5, и передает его по сети Ethernet. IP- и Ethernet-адреса этого пакета приведены на илл. 5.62. Сетевая карта Ethernet хоста 2 обнаруживает фрейм, замечает, что он адресован ей, считывает его и вызывает прерывание. Ethernet-драйвер извлекает IP-пакет из поля Payload и передает его IP-программе. Эта программа видит, что пакет адресован правильно, и обрабатывает его.

Существует несколько методов повышения эффективности ARP. Во-первых, компьютер, на котором он работает, может запоминать результат преобразования адреса на случай, если ему придется снова связываться с тем же устройством. В следующий раз он найдет нужный адрес в своем кэше, сэкономив на рассылке широковещательного пакета. Скорее всего, хосту 2 понадобится ответить на пакет, что также потребует от него обращения к ARP для определения адреса отправителя. Этого обращения можно избежать, если отправитель включит в ARP-пакет свои IP- и Ethernet-адреса. Когда широковещательный ARP-пакет прибудет на хост 2, пара (192.32.65.7, E1) будет сохранена хостом 2 в ARP-кэше для будущего использования. Более того, эту пару адресов могут сохранить у себя все устройства сети Ethernet.

Чтобы разрешить изменение соответствий адресов, например, если хост использует новый IP-адрес (но Ethernet-адрес остается прежним), записи в ARP-кэше должны устаревать за несколько минут. Существует хороший способ поддержания актуальности информации об адресах в кэше, улучшая производительность. Идея в том, что каждое устройство может рассылать свою пару адресов во время настройки. Обычно эта широковещательная рассылка производится в виде ARP-пакета, запрашивающего свой собственный IP-адрес. Ответа на такой запрос быть не должно, но все устройства могут запомнить эту пару адресов. Это называется добровольным ARP-сообщением (gratuitous ARP). Если ответ все же (неожиданно) придет, это будет означать, что двум компьютерам назначен один и тот же IP-адрес. Они не смогут пользоваться сетью, пока проблема не будет решена системным администратором.

Посмотрим снова на илл. 5.62. Пусть на этот раз хост 1 хочет послать пакет хосту 4 (192.32.63.8) в сети EE. Хост 1 увидит, что IP-адрес получателя не относится к сети CS. Он знает, что такие внешние пакеты нужно передавать на маршрутизатор, который иногда называют шлюзом по умолчанию (default gateway). Принято, что шлюз по умолчанию имеет наименьший адрес сети (198.32.65.1). Но чтобы отправить фрейм на этот маршрутизатор, хост 1 должен