Подсети
Во избежание конфликтов номера сетей назначаются некоммерческой организацией — Корпорацией по управлению доменными номерами и IP-адресами (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers, ICANN). В свою очередь, ICANN передала полномочия по присвоению некоторых частей адресного пространства региональным органам, занимающимся выделением IP-адресов провайдерам и другим компаниям. Именно так компании получают блоки IP-адресов.
Однако это только начало, так как компаниям по мере роста требуются новые IP-адреса. Как мы уже говорили, маршрутизация по префиксу требует, чтобы у всех хостов сети был один и тот же сетевой номер. Это свойство IP-адресации может вызвать проблемы при увеличении сети. Например, представьте, что университет создал сеть с префиксом /16 из нашего примера. Она используется факультетом информатики в качестве Ethernet. Год спустя подключиться к интернету захотел факультет электротехники, а затем и факультет искусств. Какие IP-адреса будут использовать эти факультеты? Если запросить дополнительные блоки, то получится, что новые сети не будут частью сети университета; к тому же это может быть дорого и неудобно. Более того, префикс /16 позволяет подключить более 60 000 хостов. Возможно, он был выбран с учетом того, что сеть может вырасти. Но пока этого не произошло, выделять университету новые блоки будет неэффективно. Требуется новая архитектура.
Проблема решается предоставлением сети возможности разделения на несколько частей с точки зрения внутренней организации. Это называется разбиением на подсети (subnetting). Сети, полученные в результате разделения крупной сети (например, локальные сети Ethernet), называются подсетями (subnets). Как уже упоминалось в главе 1, новое использование этого термина конфликтует со старым понятием «подсети», обозначающим множество всех маршрутизаторов и линий связи в сети.
На илл. 5.50 показано, как разбиение на подсети может пригодиться в нашем примере. Единая сеть /16 разделена на части. Они не должны быть одинаковыми, но адреса распределяются с учетом длины оставшейся части хоста. В нашем случае половина блока (/17) выделяется факультету информатики, четверть (/18) — факультету электротехники, восьмая часть (/19) — факультету искусств. Оставшаяся восьмая часть не используется. Еще один способ понять, как блок разбивается на части, — посмотреть на префиксы в двоичной нотации.
Информатика
10000000
11010000
1|xxxxxxx
xxxxxxxx
Электротехника
10000000
11010000
00|xxxxxx
xxxxxxxx
Искусства
10000000
11010000
011|xxxxx
xxxxxxxx
Вертикальная черта (|) обозначает границу между номером подсети и номером хоста.
Илл. 5.50. Разделение IP-префикса при разбиении на подсети
Как центральный маршрутизатор узнает, в какую подсеть направить входящий пакет? Именно здесь могут пригодиться специфические свойства префиксов. Конечно, каждый маршрутизатор может иметь таблицу из 65 536 записей с информацией о том, какая исходящая линия ведет к каждому хосту. Но это сведет на нет основное преимущество иерархии, касающееся размеров таблиц маршрутизации. Вместо этого можно сделать так, чтобы маршрутизаторы знали маски этих подсетей.
Когда приходит пакет, маршрутизатор просматривает адрес назначения и определяет, к какой подсети он относится. Для этого он может выполнить операцию AND от этого адреса и маски каждой подсети, сравнивая результат с соответствующим префиксом. Пусть у нас есть пакет с адресом 128.208.2.151. Чтобы проверить, относится ли он к факультету информатики, прибавим к нему (используя логическое AND) маску 255.255.128.0, таким образом отрезав первые 17 бит (то есть 128.208.0.0). Далее сравним полученный результат с префиксом (128.208.128.0). Они не совпадают. Для факультета электротехники аналогичным образом берем первые 18 бит адреса и получаем 128.208.0.0. Это значение совпадает с префиксом, поэтому пакет передается на интерфейс, ведущий к сети факультета электротехники.
Разбиение на подсети можно впоследствии изменить. Для этого нужно обновить сведения о сетевых масках подсетей на всех маршрутизаторах университета. За пределами сети это разделение незаметно, поэтому нет нужды с появлением каждой подсети обращаться в ICANN или менять какие-либо внешние базы данных.
CIDR — бесклассовая междоменная маршрутизация
Даже при эффективном выделении IP-адресов проблема разрастания таблицы маршрутизации сохраняется.
Если маршрутизатор находится на границе сети какой-либо организации (например, университета), он должен хранить информацию обо всех подсетях, чтобы знать, по какой линии следует передавать пакеты для этой сети. Если адрес назначения находится за пределами данной организации, он может использовать простое правило по умолчанию: отправлять пакеты по линии, соединяющей эту организацию с остальным интернетом. Прочие адреса назначения, очевидно, находятся поблизости.
Маршрутизаторы интернет-провайдеров и магистралей не могут позволить себе такую роскошь. Они должны знать путь к любой сети, поэтому для них не может существовать простого правила по умолчанию. Про магистральные маршрутизаторы говорят, что они находятся в свободной от умолчаний зоне (default-free zone) интернета. Никто не знает точно, сколько всего сетей подключено к интернету, но очевидно, что их много — возможно, порядка миллиона. Из них можно составить огромную таблицу. Может, она не слишком большая с точки зрения компьютерных стандартов, но представьте, что маршрутизатор должен просматривать ее при отправке каждого пакета (а за секунду он отправляет миллионы таких пакетов). Для такой скорости обработки требуются специализированные аппаратные средства и быстродействующая память; обычный компьютер для этого не подойдет.
Различные алгоритмы маршрутизации требуют, чтобы маршрутизаторы обменивались информацией о доступных им адресах между собой. Чем больше таблица, тем больше данных необходимо передавать и обрабатывать. С ростом таблицы время обработки увеличивается как минимум линейно. Чем больше данных приходится передавать, тем выше вероятность потери (в лучшем случае временной) части информации, что может привести к нестабильности работы алгоритмов.
Проблему таблиц маршрутизации можно было бы решить, увеличив число уровней иерархии, как это происходит в телефонных сетях. Например, каждый IP-адрес мог бы содержать номер страны, региона, города, сети и хоста. В таком случае маршрутизатор должен знать, как достичь любого другого государства, а также всех регионов своей страны, всех городов в них и каждой сети своего города. К сожалению, этот подход потребует гораздо больше, чем 32 бита, а адресное поле будет использоваться неэффективно (для Лихтенштейна будет выделено столько же разрядов, сколько для США).
К счастью, способ сократить таблицы маршрутизации все же существует. Используем тот же принцип, что и при разбиении на подсети: маршрутизатор может узнавать о расположении IP-адресов по префиксам разной длины. Но вместо разделения сети на подсети мы объединим несколько коротких префиксов в один. Этот процесс называется агрегацией маршрута (route aggregation). Длинный префикс, полученный в результате, называется суперсетью (supernet), в противоположность подсетям с разделением блоков адресов.
При агрегации IP-адреса содержатся в префиксах различной длины. Один и тот же IP-адрес может рассматриваться одним маршрутизатором как часть блока /22 (содержащего 210 адресов), а другим — как часть более крупного блока /20 (содержащего 212 адресов). Это зависит от информации, которой обладает маршрутизатор. Этот метод работает и для разбиения на подсети и называется бесклассовой междоменной маршрутизацией (Classless InterDomain Routing, CIDR). Последняя на сегодняшний день версия описана в RFC 4632 (Фуллер и Ли; Fuller and Li, 2006). Название иллюстрирует отличие от адресов, кодирующих иерархию с помощью классов, о которой мы в скором времени поговорим.
Чтобы лучше понять алгоритм маршрутизации, рассмотрим пример. Предположим, у нас есть блок из 8192 адресов, начиная с 194.24.0.0. Допустим, что Кембриджскому университету требуется 2048 адресов, и ему выделяются адреса от 194.24.0.0 до 194.24.7.255, а также маска 255.255.248.0. Это будет префикс /21. Затем Оксфордский университет запрашивает 4096 адресов. Так как блок из 4096 адресов должен располагаться на границе, кратной 4096, то ему не могут быть выделены адреса, начинающиеся с 194.24.8.0. Вместо этого он получает адреса от 194.24.16.0 до 194.24.31.255 вместе с маской 255.255.240.0. Наконец, Эдинбургский университет просит выделить ему 1024 адреса и получает адреса от 194.24.8.0 до 194.24.11.255 и маску 255.255.252.0. Все эти присвоенные адреса и маски сведены в таблицу на илл. 5.51.
После этого всем маршрутизаторам в свободной от умолчаний зоне сообщаются IP-адреса трех новых сетей. Маршрутизаторы, находящиеся рядом с этими университетами (например, в Лондоне — илл. 5.52), возможно, захотят отправлять пакеты на эти префиксы по разным исходящим линиям. Тогда они запишут эти адреса в свои таблицы маршрутизации.
Теперь посмотрим на эту троицу университетов с точки зрения отдаленного маршрутизатора в Нью-Йорке. Все IP-адреса, относящиеся к этим трем префиксам, должны отправляться из Нью-Йорка (или из США вообще) в Лондон. Процесс маршрутизации в Лондоне узнает об этом, соединяет три префикса в одну агрегированную запись 194.24.0.0/19 и передает ее в Нью-Йорк. Этот префикс содержит 8 Кбайт адресов и включает три университета плюс 1024 свободных адреса. Агрегация позволила объединить три префикса в один, благодаря чему уменьшилось количество префиксов, о которых должен знать маршрутизатор в Нью-Йорке, и число записей в его таблице.
Если агрегация включена, она производится автоматически. Этот процесс зависит от того, где расположены различные префиксы, а не от администратора, который выделяет сетям адреса. В интернете агрегация используется очень активно, снижая размер таблиц маршрутизации примерно до 200 000 префиксов.