Логическое разделение IP-сетей и подсети в топологии сети.

Введение

Логическое подразделение сети IP на подсети в математике топологии

Подсеть — это логическое подразделение IP-сети. Процесс разделения сети на две или более сети называется подсетеванием. Компьютеры, принадлежащие к одной и той же подсети, имеют одинаковые старшие биты в своих IP-адресах. Это приводит к логическому разделению IP-адреса на два поля: сетевой номер или префикс маршрутизации и остальное поле, или идентификатор хоста. Остальное поле является идентификатором конкретного хоста или сетевого интерфейса. Префикс маршрутизации может быть выражен как первый адрес сети, записанный в нотации Classless Inter Domain Routing (CIDR), за которым следует символ слэша (/) и указывается длина префикса в битах. Например, — это префикс сети Интернет-протокола версии 4, начинающийся с указанного адреса, с 24 битами, выделенными для префикса сети, и оставшимися 8 битами, зарезервированными для адресации хостов. Адреса в диапазоне — принадлежат этой сети, при этом является широковещательным адресом подсети. Спецификация IPv6-адресов представляет собой большой адресный блок, содержащий 296 адресов, с 32-битным префиксом маршрутизации. Для IPv4 сеть также может быть охарактеризована маской подсети или сетевой маской, которая представляет собой битовую маску, при битовом И-операторе с любым IP-адресом в сети дающую префикс маршрутизации. Маски подсети также выражаются в точечно-десятичной нотации, как и IP-адрес. Например, префикс будет иметь маску подсети . Трафик обменивается между подсетями через маршрутизаторы, когда префиксы маршрутизации адреса источника и адреса назначения различаются. Маршрутизатор служит логической или физической границей между подсетями. Преимущества подсетевания существующей сети зависят от конкретного сценария развертывания. В архитектуре распределения адресов в Интернете с использованием CIDR и в крупных организациях требуется эффективное распределение адресного пространства. Подсетевание также может повысить эффективность маршрутизации или предоставить преимущества в управлении сетью, когда подсетями административно управляют различные подразделения в более крупной организации. Подсети могут быть логически организованы в иерархическую архитектуру, разделяя сетевое адресное пространство организации на древовидную структуру маршрутизации или другие структуры, такие как сети mesh.

A subnetwork, or subnet, is a logical subdivision of an IP network. The practice of dividing a network into two or more networks is called subnetting. Computers that belong to the same subnet are addressed with an identical group of its most significant bits of their IP addresses. This results in the logical division of an IP address into two fields: the network number or routing prefix, and the rest field or host identifier. The rest field is an identifier for a specific host or network interface. The routing prefix may be expressed as the first address of a network, written in Classless Inter Domain Routing (CIDR) notation, followed by a slash character (/), and ending with the bit length of the prefix. For example, is the prefix of the Internet Protocol version 4 network starting at the given address, having 24 bits allocated for the network prefix, and the remaining 8 bits reserved for host addressing. Addresses in the range to belong to this network, with as the subnet broadcast address. The IPv6 address specification is a large address block with 296 addresses, having a 32 bit routing prefix. For IPv4, a network may also be characterized by its subnet mask or netmask, which is the bitmask that, when applied by a bitwise AND operation to any IP address in the network, yields the routing prefix. Subnet masks are also expressed in dot decimal notation like an IP address. For example, the prefix would have the subnet mask
Traffic is exchanged between subnets through routers when the routing prefixes of the source address and the destination address differ. A router serves as a logical or physical boundary between the subnets. The benefits of subnetting an existing network vary with each deployment scenario. In the address allocation architecture of the Internet using CIDR and in large organizations, efficient allocation of address space is necessary. Subnetting may also enhance routing efficiency, or have advantages in network management when subnets are administratively controlled by different entities in a larger organization. Subnets may be arranged logically in a hierarchical architecture, partitioning an organization's network address space into a tree like routing structure, or other structures, such as meshes.

Адресация и маршрутизация сети

Компьютеры, участвующие в IP-сети, имеют как минимум один сетевой адрес. Обычно этот адрес уникален для каждого устройства и может быть автоматически настроен сетевой службой с помощью протокола динамической конфигурации хоста (DHCP), вручную администратором или автоматически операционной системой с использованием автоматической настройки адреса без сохранения состояния. Адрес выполняет функции идентификации хоста и его определения местоположения в сети при маршрутизации назначения. Наиболее распространенной архитектурой сетевого адресования является версия 4 протокола Интернет (IPv4), но ее преемник, IPv6, все чаще внедряется с примерно 2006 года. Адрес IPv4 состоит из 32 бит. Адрес IPv6 состоит из 128 бит. В обеих архитектурах IP-адрес разделен на две логические части: префикс сети и идентификатор хоста. Все хосты в подсети имеют одинаковый префикс сети. Этот префикс занимает наиболее значащие биты адреса. Количество битов, выделенных в сети для префикса, может варьироваться между подсетями в зависимости от архитектуры сети. Идентификатор хоста является уникальным локальным идентификатором и представляет собой либо номер хоста в локальной сети, либо идентификатор интерфейса. Эта структура адресации позволяет выборочно маршрутизировать IP-пакеты через несколько сетей через специальные шлюзовые компьютеры, называемые маршрутизаторами, к хосту назначения, если сетевые префиксы исходного и конечного хостов различаются, или отправлять непосредственно целевому хосту в локальной сети, если они совпадают. Маршрутизаторы представляют собой логические или физические границы между подсетями и управляют трафиком между ними. Каждая подсеть обслуживается назначенным маршрутизатором по умолчанию, но может состоять из нескольких физических сегментов Ethernet, соединенных сетевыми коммутаторами. Префикс маршрутизации адреса идентифицируется маской подсети, записанной в той же форме, что и IP-адреса. Например, маска подсети для префикса маршрутизации, состоящего из наиболее значащих 24 бит адреса IPv4, записывается как . Современная стандартная форма указания префикса сети – это нотация CIDR, используемая как для IPv4, так и для IPv6. Она подсчитывает количество бит в префиксе и добавляет это число к адресу после разделителя в виде символа слэша (/). Эта нотация была введена вместе с маршрутизацией между доменами без классов (CIDR). В IPv6 это единственная форма, основанная на стандартах, для обозначения сетевых или маршрутизационных префиксов. Например, сеть IPv4 с маской подсети записывается как , а нотация IPv6 обозначает адрес и его сетевой префикс, состоящий из наиболее значащих 32 бит. В классовой сети в IPv4, до введения CIDR, префикс сети можно было непосредственно получить из IP-адреса, основываясь на его старшей последовательности битов. Это определяло класс (A, B, C) адреса и, следовательно, маску подсети. Однако с момента введения CIDR для назначения IP-адреса сетевому интерфейсу требуются два параметра: адрес и маска подсети. Имея исходный адрес IPv4, связанную с ним маску подсети и адрес назначения, маршрутизатор может определить, находится ли пункт назначения в локально подключенной сети или удаленной сети. Маска подсети назначения не требуется и, как правило, неизвестна маршрутизатору. Однако для IPv6 определение принадлежности к каналу связи отличается в деталях и требует протокола обнаружения соседей (NDP). Присвоение адреса IPv6 интерфейсу не требует соответствия префикса канала связи и наоборот, за исключением адресов канала связи. Поскольку каждая локально подключенная подсеть должна быть представлена отдельной записью в таблицах маршрутизации каждого подключенного маршрутизатора, подсеть увеличивает сложность маршрутизации. Однако, при тщательном проектировании сети, маршруты к группам более удаленных подсетей в ветвях древовидной иерархии могут быть агрегированы в суперсеть и представлены едиными маршрутами.

Computers participating in an IP network have at least one network address. Usually, this address is unique to each device and can either be configured automatically by a network service with the Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), manually by an administrator, or automatically by the operating system with stateless address autoconfiguration. An address fulfills the functions of identifying the host and locating it on the network in destination routing. The most common network addressing architecture is Internet Protocol version 4 (IPv4), but its successor, IPv6, has been increasingly deployed since approximately 2006. An IPv4 address consists of 32 bits. An IPv6 address consists of 128 bits. In both architectures, an IP address is divided into two logical parts, the network prefix and the host identifier. All hosts on a subnet have the same network prefix. This prefix occupies the most significant bits of the address. The number of bits allocated within a network to the prefix may vary between subnets, depending on the network architecture. The host identifier is a unique local identification and is either a host number on the local network or an interface identifier. This addressing structure permits the selective routing of IP packets across multiple networks via special gateway computers, called routers, to a destination host if the network prefixes of origination and destination hosts differ, or sent directly to a target host on the local network if they are the same. Routers constitute logical or physical borders between the subnets, and manage traffic between them. Each subnet is served by a designated default router but may consist internally of multiple physical Ethernet segments interconnected by network switches. The routing prefix of an address is identified by the subnet mask, written in the same form used for IP addresses. For example, the subnet mask for a routing prefix that is composed of the most significant 24 bits of an IPv4 address is written as
The modern standard form of specification of the network prefix is CIDR notation, used for both IPv4 and IPv6. It counts the number of bits in the prefix and appends that number to the address after a slash (/) character separator. This notation was introduced with Classless Inter Domain Routing (CIDR). In IPv6 this is the only standards based form to denote network or routing prefixes. For example, the IPv4 network with the subnet mask is written as , and the IPv6 notation designates the address and its network prefix consisting of the most significant 32 bits. In classful networking in IPv4, before the introduction of CIDR, the network prefix could be directly obtained from the IP address, based on its highest order bit sequence. This determined the class (A, B, C) of the address and therefore the subnet mask. Since the introduction of CIDR, however, the assignment of an IP address to a network interface requires two parameters, the address and a subnet mask. Given an IPv4 source address, its associated subnet mask, and the destination address, a router can determine whether the destination is on a locally connected network or a remote network. The subnet mask of the destination is not needed, and is generally not known to a router. For IPv6, however, on link determination is different in detail and requires the Neighbor Discovery Protocol (NDP). IPv6 address assignment to an interface carries no requirement of a matching on link prefix and vice versa, with the exception of link local addresses. Since each locally connected subnet must be represented by a separate entry in the routing tables of each connected router, subnetting increases routing complexity. However, by careful design of the network, routes to collections of more distant subnets within the branches of a tree hierarchy can be aggregated into a supernetwork and represented by single routes.

Определение префикса сети

Маска подсети IPv4 состоит из 32 бит; это последовательность единиц (1), за которой следует блок нулей (0). Единицы указывают биты в адресе, используемые для префикса сети, а последующий блок нулей обозначает эту часть как идентификатор хоста. Следующий пример показывает разделение префикса сети и идентификатора хоста из адреса и соответствующей маски подсети. Операция визуализируется в таблице с использованием бинарных форматов адресов. Двоичная форма Десятичная точечная нотация IP-адрес 11000000.00000000.00000010.10000010 192.0.2.130 Маска подсети 11111111.11111111.11111111.00000000 255.255.255.0 Префикс сети 11000000.00000000.00000010.00000000 192.0.2.0 Идентификатор хоста 00000000.00000000.00000000.10000010 0.0.0.130
Результатом побитовой операции AND IP-адреса и маски подсети является префикс сети. Часть, относящаяся к хосту, получается путем побитовой операции AND адреса и инверсии маски подсети.

Подсетевая сеть

Подсеть – это процесс выделения старших битов из хост-части для использования в качестве части сетевого префикса и соответствующей корректировки маски подсети. Это делит сеть на более мелкие подсети. На следующей диаграмме приведенный выше пример модифицируется путем переноса 2 битов из хост-части в сетевой префикс, формируя четыре меньшие подсети, каждая из которых составляет четверть от предыдущего размера. Бинарная форма Десятичная точечная нотация IP-адрес 11000000.00000000.00000010.10000010 192.0.2.130 Маска подсети 11111111.11111111.11111111.11000000 255.255.255.192 Сетевой префикс 11000000.00000000.00000010.10000000 192.0.2.128 Хост-часть 00000000.00000000.00000000.00000010 0.0.0.2

Специальные адреса и подсети

IPv4 использует специально назначенные форматы адресов для облегчения распознавания специальных функций адресов. Первая и последняя подсети, полученные в результате деления более крупной сети на подсети, традиционно имели специальное обозначение и изначально – особые последствия для использования. Кроме того, IPv4 использует широковещательный адрес, состоящий из одних единиц, то есть последний адрес в сети, для широковещательной передачи всем хостам в сети. Первая подсеть, полученная при делении более крупной сети на подсети, имеет все биты в битовой группе подсети установленные в ноль. Поэтому она называется нулевой подсетью. Последняя подсеть, полученная при делении более крупной сети на подсети, имеет все биты в битовой группе подсети установленные в единицу. Поэтому она называется подсетью, состоящей из одних единиц. IETF изначально не рекомендовал использовать эти две подсети в производственной среде. Если длина префикса неизвестна, то у более крупной сети и первой подсети будет один и тот же адрес, что может привести к путанице. Аналогичная путаница возможна с широковещательным адресом в конце последней подсети. Поэтому было рекомендовано резервировать значения подсетей, состоящие из всех нулей и всех единиц, в общедоступном Интернете, уменьшая количество доступных подсетей на две для каждой операции деления на подсети. Эта неэффективность была устранена, и данная практика была признана устаревшей в 1995 году и актуальна только при работе со старым оборудованием. Хотя значения, состоящие из всех нулей и всех единиц, зарезервированы для сетевого адреса подсети и её широковещательного адреса соответственно, в системах, использующих CIDR, все подсети доступны в разделенной сети. Например, сеть может быть разделена на шестнадцать полезных подсетей. Каждый широковещательный адрес, то есть , , , уменьшает только количество хостов в каждой подсети.

Интернет-протокол версия 6

Конструкция адресного пространства IPv6 существенно отличается от IPv4. Основная причина использования подсетей в IPv4 – повышение эффективности использования относительно небольшого доступного адресного пространства, особенно для организаций. В IPv6 таких ограничений нет, поскольку большое адресное пространство, доступное даже конечным пользователям, не является ограничивающим фактором. Как и в IPv4, подсети в IPv6 основаны на концепциях маски подсети переменной длины (VLSM) и методологии междоменной маршрутизации без классов (Classless Inter-Domain Routing). Оно используется для маршрутизации трафика между глобальными пространствами адресов и в сетях заказчиков между подсетями и глобальной сетью Интернет. Соответствующая подсеть IPv6 всегда использует адреса с 64 битами в идентификаторе хоста. Первый и последний адрес в любой сети или подсети нельзя назначать отдельным хостам. Ранее рекомендованным размером адресного пространства для клиентского объекта IPv6 был префикс длиной 48 бит.